幾種蓄電池在線測試技術(shù)比較分析 - 全文

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幾種蓄電池在線測試技術(shù)分析

一、蓄電池落后的原因及檢測重要?

閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）從一開始便被稱為免維護(hù)電池，而生產(chǎn)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(tǒng)維護(hù)人員一種誤解，似乎這種電池既耐用又完全不需要維護(hù)，許多用戶從裝上電池后就基本上沒有進(jìn)行過維護(hù)和管理，在90年代初，隨著使用時(shí)間的增長，使用的VRLA電池出現(xiàn)了很多以前未遇到的新問題，例如電池殼變形、電解液滲漏、電極腐蝕、容量不足、電池端電壓不均勻等，VRLA電池內(nèi)部接線柱、同極的連接片以及電極接頭的腐蝕而斷裂的現(xiàn)象也比開口式電池更常發(fā)生，這些故障都導(dǎo)致容量損失，但VRLA電池端電壓與放電能力無相關(guān)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(hù)部門以前往往只重視備用電源的設(shè)備部分的維護(hù)和管理，而忽視電池組的重大作用，殊不知斷電的危險(xiǎn)很大程度上就潛伏在電池組。 整組電池充電的特性是，如電池組內(nèi)有一個(gè)或幾個(gè)老化電池，其容量必然變小，充電器給電池組充電時(shí)，老化電池因容量小，將很快充滿。充電器會誤以為整組電池已充滿而轉(zhuǎn)為浮充狀態(tài)，以恒定電壓和小電流給電池組充電。其余狀態(tài)良好的電池不可能充滿。電池組將以老化電池的容量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充放電，經(jīng)多次浮充--放電 --均充--放電--浮充的惡性循環(huán)，容量不斷下降，電池后備時(shí)間縮短。

所以如不定時(shí)檢測，電池和電池組的定期檢測和在線監(jiān)測是非常重要和必須的，已經(jīng)是是電源系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。但是，從多年的運(yùn)行維護(hù)效果來看，對于蓄電池進(jìn)行電壓檢測已經(jīng)不能充分反應(yīng)蓄電池的問題，預(yù)警性和前瞻性較差，無法準(zhǔn)確及時(shí)找出老化電池。因?yàn)楦〕潆妷盒》档牟町惐O(jiān)測并沒有辦法區(qū)別和處理，也就是對于電池性能變壞，電池容量已經(jīng)大幅下降的老化電池的準(zhǔn)確判斷，電壓參數(shù)無能為力，而是當(dāng)放電時(shí)發(fā)現(xiàn)某電池的放電電壓（或曲線）異常才有警告，但一般為時(shí)已晚。

如果無法十分清楚地了解蓄電池內(nèi)部性能參數(shù)，如蓄電池的內(nèi)阻、當(dāng)前的剩余容量，如果蓄電池組中有落后的蓄電池,也無法提前準(zhǔn)確判斷和維護(hù)，所以蓄電池的內(nèi)阻和當(dāng)前的剩余容量的監(jiān)測可以作為我們有效的手段，VRLA電池和電池組在運(yùn)行過程中，隨著使用時(shí)間的增加必然會有個(gè)別或部分電池因內(nèi)阻變大，呈退行性老化現(xiàn)象，實(shí)踐證明，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(zhǔn)，而不是以平均值或額定值（初始值）為準(zhǔn)，當(dāng)電池的實(shí)際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時(shí)，電池便進(jìn)入衰退期，當(dāng)電池容量下降到原來的80%以下時(shí)，電池便進(jìn)入急劇的衰退狀況，衰退期很短，這時(shí)電池組已存在極大的事故隱患。

鉛酸蓄電池的工作原理為“雙硫酸鹽化理論”，其結(jié)構(gòu)部件主要為正極板（PbO2）、負(fù)極板（鉛等重金屬合金）、板柵等，鉛酸蓄電池在放電時(shí)會形成結(jié)晶體，充電時(shí)鉛離子被還原為金屬鉛。如果我們使用或維護(hù)不當(dāng)，如經(jīng)常充電不足或過放電，在電池正、負(fù)極板接線柱上會逐漸形成一種粗大而堅(jiān)硬的PbSO4結(jié)晶體，這種現(xiàn)象稱為“不可逆化的硫酸鹽化”，簡稱“硫化”。“硫化”使蓄電池內(nèi)阻增大、容量下降，這種不可逆的硫酸鹽化的原因是硫酸鉛的重結(jié)晶，粗大的結(jié)晶形成之后溶解度減少，硫酸鉛的重結(jié)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(jié)果。所以，電池產(chǎn)生硫化是蓄電池內(nèi)阻增加的主要原因，而這對電池的使用壽命影響很大，使用什么樣的方法進(jìn)行內(nèi)阻參數(shù)的測試將影響在線監(jiān)測的最終效果。

在以上的背景下，前段時(shí)間的對于蓄電池的在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行了深入的調(diào)研，以及參加了中試所對六家在線監(jiān)測設(shè)備廠家進(jìn)行產(chǎn)品試驗(yàn)，調(diào)研后發(fā)現(xiàn)各自有其不同的測試方法,總結(jié)下來主要是三大類，這幾類在效果上分析起來有著明顯的區(qū)別：

二、交流測試法技術(shù)分析

交流法就是向蓄電池注入一個(gè)低頻率的交流信號，由于蓄電池內(nèi)部存在的阻抗，注入信號后測量其反饋的電流信號，進(jìn)行信號處理，比較注入信號與反饋信號的差異，從而測得蓄電池內(nèi)阻。交流法測量蓄電池阻抗依賴于高速的數(shù)字信號處理技術(shù)，但是在系統(tǒng)中的高頻模塊組成的充電機(jī)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

根據(jù)以上說明，以及在中試所的試驗(yàn)中所看到的測試結(jié)果來進(jìn)行分析，對于交流法有以下幾點(diǎn)看法：

1、對于交流注入法實(shí)際上只能定義為蓄電池的阻抗。

2、如右圖一所示，一個(gè)單體的容量由正負(fù)極板形成的, 是傳導(dǎo)通路的兩個(gè)平行部分。通過交流信號或做阻抗測試時(shí), 通路中任何部分的電阻增加都會由電容器掩蓋。同時(shí)，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(wěn)定度和正弦波純度都直接影響著測試結(jié)果。另外，在線測試時(shí)也易受充電器的紋波和諧波的干擾。

3、由于小容量蓄電池的內(nèi)阻是毫歐級的數(shù)值，而大容量的蓄電池其內(nèi)阻將是微歐級，從交流法的測試原理上我們知道，依靠測量其反饋的電流信號，進(jìn)行信號處理，比較注入信號與反饋信號的差異得出內(nèi)阻，但交流法的電流幅值非常小，一般1A（為了避免對系統(tǒng)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，所以對于信號處理精度要求非?？量?、嚴(yán)格，非常容易受到充電機(jī)與外界噪音對信號的干擾，導(dǎo)致測試結(jié)果的離散性大。

4、在直流系統(tǒng)中注入一個(gè)交流信號源，從本質(zhì)上就對系統(tǒng)造成了污染，雖然廠家在不斷研究降低頻率（實(shí)際上是向直流逼近），但幅值不得不提高，但作為一個(gè)信號源不是負(fù)載，幅值的提高對系統(tǒng)將會對系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，因?yàn)槲覀冎缹Ω哳l充電模塊能夠進(jìn)行冗余并聯(lián)是對于各模塊的輸出特性有嚴(yán)格要求的。

三、某公司的離線內(nèi)阻測試方法技術(shù)分析

根據(jù)某公司的介紹，其蓄電池的在線監(jiān)測是結(jié)合對放電曲線的分析，進(jìn)行多項(xiàng)測試，進(jìn)行綜合判斷，包括以下三點(diǎn)內(nèi)容：

1、動態(tài)大電流（>100A）沖擊負(fù)載放電，在短時(shí)間內(nèi)得到電池瞬間的放電曲線，測得內(nèi)阻：內(nèi)阻=（蓄電池電動勢-蓄電池電壓）/放電電流。

2、靜態(tài)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(shí)間。

3、對以上參數(shù)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合計(jì)算分析，得出對電池性能的準(zhǔn)確評估。

根據(jù)以上說明，以及在中試所的試驗(yàn)中所看到的測試結(jié)果來進(jìn)行分析，對于某公司的測試方法有以下幾點(diǎn)看法：

1、放電曲線固然是檢測蓄電池性的傳統(tǒng)的有效的方法，但在實(shí)際在線運(yùn)行過程中，考慮蓄電池的循環(huán)壽命，不可能頻繁的對蓄電池進(jìn)行容量測試，盡管是靜態(tài)小電流恒流放電過程，因?yàn)槲覀冸娏ο到y(tǒng)是不允許在線運(yùn)行的蓄電池長時(shí)間處于放電狀態(tài)的，所以根據(jù)以上蓄電池容量=放電電流X時(shí)間的計(jì)算公式，在放電時(shí)間不足夠的條件下測得的容量不是蓄電池實(shí)際容量。

靜態(tài)小電流恒流放電測試容量法在線測試結(jié)果是不可信的，首先蓄電池組在線運(yùn)行狀態(tài)中，充電機(jī)是在不斷為蓄電池提供充電電流的，這個(gè)電流是隨電池的負(fù)載的變化而自動調(diào)節(jié)，所以如何保證靜態(tài)小電流恒流放電是一個(gè)不可在線解決的問題。

2、從內(nèi)阻計(jì)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，由此我們可以知道測試內(nèi)阻的過程存在二個(gè)問題：

一個(gè)在測試時(shí)必須斷開蓄電池組才可獲取電動勢，這種過程務(wù)必使蓄電池組處于開路狀態(tài)，在運(yùn)行中的蓄電池組要處于開路狀態(tài)是一個(gè)不允許出現(xiàn)的情況，即使是短時(shí)的都會存在較大的安全隱患。

二個(gè)電動勢與大電流放電后的電壓進(jìn)行比較計(jì)算出的電壓差△U，這個(gè)電壓差存在具有很大的不穩(wěn)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(shí)間是極短，時(shí)間的取值及誤差會根本上影響電壓的取值，一旦時(shí)間大于一個(gè)電池的開始極化時(shí)間，其內(nèi)阻就已經(jīng)不是一具電池的真正的內(nèi)阻了，與實(shí)際的內(nèi)阻值相去甚遠(yuǎn)。

這種方法屬于估值算法，很難實(shí)現(xiàn)精確的對具有微量特征的蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行測試，分辯率較低，在中試所的試驗(yàn)中在有意識松動連接片時(shí)，測試儀無法發(fā)現(xiàn)其連接的異常變化，這種測試驗(yàn)證了以上的分析。

四、美國Albér公司的純直流瞬間大電流放電法技術(shù)分析

如圖二所示，由被測電池向負(fù)載放出大電流(50-70A)，時(shí)間約3.25秒，測量放電電壓穩(wěn)定后的瞬間斷電壓差△V(V2－V1) 與電流值 (I) 的比值計(jì)算出電池的內(nèi)阻 R內(nèi)阻＝△V/I；直流放電法測內(nèi)阻為 Albér 公司專利(專利號：U.S.Patent No.5.744.962)。

純直流瞬間大電流放電法采用加純阻性負(fù)載法，是利用零瞬間技術(shù)(ZERO TIME)，考慮到蓄電池?cái)嚅_負(fù)載后其電勢會馬上回升的特性，在斷開瞬間同時(shí)讀取通路與斷路電壓以及通斷電流差，從而計(jì)算出精確的內(nèi)阻。

根據(jù)以上說明，以及在中試所的試驗(yàn)中所看到的測試結(jié)果來進(jìn)行分析，對于美國Albér的測試方法有以下幾點(diǎn)看法：

1、美國Albér的測試精度、穩(wěn)定性很好，Albér是測量放電電壓穩(wěn)定后的瞬間斷電壓差，△V=(V2－V1)；取值的方法須具有特殊性、有效性，該方法取的電壓差具有很好的穩(wěn)定性，測試時(shí)間足夠進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定期，時(shí)間的誤差會根本與電壓的取值無關(guān)，同時(shí)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(jì)算的值是直流電阻值，使其能真正反映電池特性。同時(shí)，由于測試電流大、不受電池電容的影響（圖三所示），不但使壓差讀數(shù)精確，而且具備很好的抗干擾能力，讀數(shù)穩(wěn)定，不受充電回路波紋電壓的影響，可以有效的、充分發(fā)現(xiàn)其電阻內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，而且其測試電流大，回路中紋波、諧波和尖峰都不會影響其測試的誤差值。

2、無需使蓄電池脫機(jī)，避免了系統(tǒng)安全性的隱患；從試驗(yàn)結(jié)果中可以看到，靜態(tài)與動態(tài)測試結(jié)果一致性很好。

3、Albér公司的測試數(shù)據(jù)的分辯率非常高，從中試所的試驗(yàn)中雖沒有對大容量的電池進(jìn)行內(nèi)阻檢測，但進(jìn)行了一項(xiàng)非常有價(jià)值的測試，就是對于蓄電池間連接狀態(tài)進(jìn)行檢測，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(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)細(xì)微變化，從這一點(diǎn)上體現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的分辯率非常高，這對于大容量蓄電池來講是非常重要的，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)所用的蓄電池都大于300AH，與汽車工業(yè)、電動車的電池相差很遠(yuǎn)，其內(nèi)阻僅幾百微歐（零點(diǎn)幾毫歐），如果沒有一個(gè)高分辯率的儀器是無法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)微量內(nèi)阻值的趨勢變化，從而找出落后的電池。

4、對于這么大的電流是否對蓄電池有傷害的問題，根據(jù)規(guī)程測試中的電流與測試時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算方法，假設(shè)按70A為一個(gè)小時(shí)放電率計(jì)算，電池安時(shí)數(shù)在137AH以上都是正常的測試，何況是瞬間？可見70A的大電流瞬間放電完全在蓄電池的允許工作電流范圍和時(shí)間內(nèi)，不會對電池造成任何傷害。我們以蓄電池進(jìn)行在線監(jiān)測的目的是積累蓄電池的運(yùn)行內(nèi)阻數(shù)據(jù)，得到它的運(yùn)行趨勢，提前發(fā)現(xiàn)蓄電池變壞的拐點(diǎn)，將故障排除在發(fā)生前,所以，我認(rèn)為利用大電流符合電力系統(tǒng)對電池負(fù)荷能力的檢測要求，真實(shí)反映了電池的負(fù)荷承受能力和使用性能。

5、產(chǎn)品智能化——內(nèi)阻數(shù)據(jù)分析是這一產(chǎn)品的另一方面的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)Albér提供的資料及對Albér的了解，Albér根據(jù)30年的測試經(jīng)驗(yàn)和幾十萬次實(shí)驗(yàn)測試總結(jié)，同時(shí)經(jīng)過美國AT&T電信公司在20年對該產(chǎn)品使用的實(shí)際工作總結(jié)，得出蓄電池的內(nèi)阻大于初始值的25%時(shí)，蓄電池容量將低于80%的結(jié)論。

五、結(jié)論

根據(jù)最近省公司的《廣東電網(wǎng)公司變電站直流系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》對蓄電池內(nèi)阻不能大于標(biāo)稱值 50%、蓄電池間內(nèi)阻一致性要求不大于10%的要求，結(jié)合我們所使用的蓄電池容量都是300AH、500AH、800AH居多，這些電池內(nèi)阻都是幾百微歐，屬于一種微電阻范疇，即使是50%的標(biāo)準(zhǔn)，其絕對值都不會很大，所以要能有效、準(zhǔn)確監(jiān)測到蓄電池內(nèi)阻和電池間連接狀態(tài)以及蓄電池內(nèi)阻在運(yùn)行中的變化趨勢，只有選擇分辯率高、精度高、測試穩(wěn)定、一致性強(qiáng)的測試儀器。