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一種新的基于模型的多頻點(diǎn)技術(shù)檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻與容量相關(guān)度研究介紹

文章中的關(guān)鍵詞：蓄電池荷電量、內(nèi)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(cè)技術(shù)手段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累與分析，對(duì)蓄電池內(nèi)阻與荷電量的關(guān)系進(jìn)行了分析。提出了一種新的基于模型的多頻點(diǎn)蓄電池荷電量的預(yù)測(cè)技術(shù)。

對(duì)于蓄電池運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估，要取決于以下兩個(gè)參量：

1. 荷電量（SOC）：是指蓄電池當(dāng)前的實(shí)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(duì)蓄電池劣化狀態(tài)的評(píng)估，而荷電量則是對(duì)蓄電池充電狀態(tài)的評(píng)估。在電力系統(tǒng)中，雖然蓄電池一直處于充電狀態(tài)，但由于蓄電池的不均衡性，很難保證荷電量=容量。

實(shí)際運(yùn)行中，蓄電池過(guò)充或欠充的不均衡現(xiàn)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(xiàn)有的蓄電池維護(hù)技術(shù)手段，并未區(qū)分蓄電池荷電量與容量的關(guān)系，簡(jiǎn)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(dāng)作容量不足的劣化蓄電池來(lái)看待。實(shí)際工作中，把欠充的蓄電池當(dāng)作劣化蓄電池來(lái)處理，要求退出或更換，造成不必要的浪費(fèi)。

因此，如何準(zhǔn)確的預(yù)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(tài)還是劣化狀態(tài)，意義重大。

2、蓄電池荷電量與內(nèi)阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)分析

在蓄電池快速測(cè)試實(shí)踐中，比較突出的問(wèn)題是荷電量和內(nèi)阻的關(guān)系。為了驗(yàn)證蓄電池荷電量和內(nèi)阻的關(guān)系，我們針對(duì)廣州移動(dòng)常用的VRLA蓄電池進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

1. 測(cè)試設(shè)備：（1）PITE3919多頻點(diǎn)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(dòng)通信機(jī)房常用）：

     華達(dá)2V蓄電池300Ah、500Ah、800 Ah各6節(jié)；

     雙登2V蓄電池300Ah、500Ah、800 Ah各6節(jié)；

     南都2V蓄電池300Ah、500Ah、800 Ah各6節(jié)。

3）內(nèi)阻測(cè)試頻率：5Hz、15Hz；

4）測(cè)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(shí)結(jié)束。

以下是一組典型的測(cè)試數(shù)據(jù)（引自2011年10月27日10#電池測(cè)試數(shù)據(jù)）：

電池型號(hào)：YUASA UXL330-2N：

圖1：測(cè)試信號(hào)分別為5Hz、15Hz測(cè)試阻抗（單位為微歐）和核電量（SOC）的關(guān)系

圖2：放電過(guò)程中電池電壓的變化

從圖1可以看出：

1. 不同測(cè)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(shí)，電池阻抗基本沒(méi)有變化；
3. 蓄電池荷電量（SOC）在20%以下時(shí)，電池阻抗才有顯著變化。
4. 蓄電池荷電量（SOC）大，其內(nèi)阻就小。

    下面圖3和表1更清楚說(shuō)明電池內(nèi)阻隨著SOC的變化的情況。

圖3：放電過(guò)程中測(cè)試信號(hào)分別為5Hz、15Hz測(cè)試電池阻抗的變化率

表1：放電過(guò)程中測(cè)試信號(hào)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(shí)，常規(guī)方法測(cè)得的蓄電池阻抗和電池電量幾乎沒(méi)有相關(guān)性；
2. 電池阻抗測(cè)量值易受測(cè)試條件（如不同廠家的測(cè)試儀表、測(cè)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(cè)試的誤差較大；

由于以上兩點(diǎn)可以看出，通過(guò)實(shí)際測(cè)量電池阻抗發(fā)現(xiàn)電池異常時(shí)，蓄電池荷電量實(shí)際已不足20%。

目前，和IEEE標(biāo)準(zhǔn)相似，我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)和國(guó)外常規(guī)電池內(nèi)阻測(cè)試儀表內(nèi)阻測(cè)試精度一般為5%左右，加上實(shí)際測(cè)試條件諸多因素的影響，因而目前用蓄電池內(nèi)阻測(cè)試的方法判斷蓄電池的容量，只能找出嚴(yán)重落后的蓄電池（電池容量≤20%），而仍有相當(dāng)數(shù)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(gè)核容放電周期才被發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重危及變電站的安全！

那么除了核容放電測(cè)試以外，還有沒(méi)有快速并且較為準(zhǔn)確檢測(cè)蓄電池容量的其他方法呢？

1. 新的基于模型的蓄電池檢測(cè)技術(shù)介紹

蓄電池是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，其放電及充電反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)及電化學(xué)過(guò)程，真正決定蓄電池容量及荷電量的是電池的化學(xué)和電化學(xué)狀態(tài)。不同的研究者提出了不同的電池模型，其中較為簡(jiǎn)單、被大家普遍認(rèn)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(hào)的含義如下：

E：蓄電池電動(dòng)勢(shì)；

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(xué)極化和濃差極化的電阻；

C2：電極雙電層電容。

根據(jù)上述的電路模型，蓄電池復(fù)阻抗計(jì)算公式如下：

式中：f為測(cè)試信號(hào)頻率。

從式中可以看出，如果采用多個(gè)頻率進(jìn)行測(cè)試，可以建立聯(lián)立方程，分別計(jì)算出蓄電池歐姆電阻、極化電阻、電容、電感等特性參數(shù)。

深圳市博億智能設(shè)備科技有限公司根據(jù)電池的物理模型，使用多頻點(diǎn)蓄電池測(cè)試技術(shù)，對(duì)不同廠家、不同容量、使用年限不同的電池，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。圖5是一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖5可以看出，電極雙電層電容C2對(duì)電池容量是極為敏感的，可作為蓄電池荷電量的指標(biāo)；蓄電池極化電阻R2對(duì)充電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)很敏感，可以作為電池充滿電的標(biāo)志，防止電池過(guò)充時(shí)，出現(xiàn)水解副反應(yīng)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(shù)關(guān)系曲線圖

4、結(jié)論

在理論分析及大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，深圳市博億智能設(shè)備科技有限公司提出了一種全新的蓄電池荷電量測(cè)試方法，并據(jù)此開(kāi)發(fā)研制出了多頻點(diǎn)蓄電池容量分析儀，采用多個(gè)頻率對(duì)蓄電池進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，采用數(shù)字信號(hào)分析處理技術(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量并計(jì)算出蓄電池的歐姆電阻、極化電阻、電容、電感等特性參數(shù)，*不需要對(duì)蓄電池進(jìn)行核容放電，只需利用這些參數(shù)和電池容量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可以對(duì)荷電量在0%~）的蓄電池，快速準(zhǔn)確地測(cè)量出其真實(shí)荷電量，從而得出蓄電池內(nèi)阻與其容量相關(guān)性的結(jié)論。