一种新的基于模型的多频点技术检测蓄电池内阻与容量相关度研究介绍

文章中的关键词：蓄电池荷电量、内阻、电池模型

Key words:  capacity of battery,  SOC（state of charge） of battery,  battery impedance,

circuit model of battery

摘要：文章介绍了一种新的基于模型的蓄电池检测技术手段，通过现场实验数据的积累与分析，对蓄电池内阻与荷电量的关系进行了分析。提出了一种新的基于模型的多频点蓄电池荷电量的预测技术。

对于蓄电池运行状态的评估，要取决于以下两个参量：

1. 荷电量（SOC）：是指蓄电池当前的实际荷电量或能够放出的容量，用核容放电法可以确定，其单位是Ah。
2. 容量（C）：是指充分充电的情况下，蓄电池的zui大荷电量或放电量，其单位是Ah。

容量是对蓄电池劣化状态的评估，而荷电量则是对蓄电池充电状态的评估。在电力系统中，虽然蓄电池一直处于充电状态，但由于蓄电池的不均衡性，很难保证荷电量=容量。

实际运行中，蓄电池过充或欠充的不均衡现象的普遍存在。欠充的蓄电池，只是其荷电量是不足，但其容量是正常的。这类蓄电池，只需做均衡处理后，即可正常使用。

但是，现有的蓄电池维护技术手段，并未区分蓄电池荷电量与容量的关系，简单地把蓄电池的荷电量等同于蓄电池的容量，把许多荷电量不足但容量正常的蓄电池，当作容量不足的劣化蓄电池来看待。实际工作中，把欠充的蓄电池当作劣化蓄电池来处理，要求退出或更换，造成不必要的浪费。

因此，如何准确的预估出蓄电池的荷电量及容量，从而判断落后蓄电池是处于不均衡状态还是劣化状态，意义重大。

2、蓄电池荷电量与内阻关系的实验分析

在蓄电池快速测试实践中，比较突出的问题是荷电量和内阻的关系。为了验证蓄电池荷电量和内阻的关系，我们针对广州移动常用的VRLA蓄电池进行了实验验证：

1. 测试设备：（1）PITE3919多频点蓄电池容量分析仪

            （2）PITE3930智能电池活化仪

2）蓄电池（广东移动通信机房常用）：

     华达2V蓄电池300Ah、500Ah、800 Ah各6节；

     双登2V蓄电池300Ah、500Ah、800 Ah各6节；

     南都2V蓄电池300Ah、500Ah、800 Ah各6节。

3）内阻测试频率：5Hz、15Hz；

4）测试温度：25±2℃

5）放电：恒流放电：I₁₀，截止电压：1.8V；

   充电：恒流充电：I₁₀，限压:2.35V；

         恒压充电: 2.35V,电流降至0.05 I₁₀时结束。

以下是一组典型的测试数据（引自2011年10月27日10#电池测试数据）：

电池型号：YUASA UXL330-2N：

图1：测试信号分别为5Hz、15Hz测试阻抗（单位为微欧）和核电量（SOC）的关系

图2：放电过程中电池电压的变化

从图1可以看出：

1. 不同测试频率下，蓄电池的阻抗有明显不同；
2. 蓄电池荷电量（SOC）在100~20%时，电池阻抗基本没有变化；
3. 蓄电池荷电量（SOC）在20%以下时，电池阻抗才有显著变化。
4. 蓄电池荷电量（SOC）大，其内阻就小。

    下面图3和表1更清楚说明电池内阻随着SOC的变化的情况。

图3：放电过程中测试信号分别为5Hz、15Hz测试电池阻抗的变化率

表1：放电过程中测试信号分别为5Hz（Z1）、15Hz（Z2）电池阻抗的变化率

从以上分析可以看出：

1. 蓄电池荷电量（SOC）≥20%时，常规方法测得的蓄电池阻抗和电池电量几乎没有相关性；
2. 电池阻抗测量值易受测试条件（如不同厂家的测试仪表、测试线夹、电池连接线、电池极柱连接螺丝表面氧化层等）影响，测试的误差较大；

由于以上两点可以看出，通过实际测量电池阻抗发现电池异常时，蓄电池荷电量实际已不足20%。

目前，和IEEE标准相似，我国相关标准要求变电站蓄电池容量≥80%为合格，电池容量≤80%为不合格，而国内和国外常规电池内阻测试仪表内阻测试精度一般为5%左右，加上实际测试条件诸多因素的影响，因而目前用蓄电池内阻测试的方法判断蓄电池的容量，只能找出严重落后的蓄电池（电池容量≤20%），而仍有相当数量的落后蓄电池（例如容量SOC在20~80%之间）在变电站使用，可能直到下一个核容放电周期才被发现，严重危及变电站的安全！

那么除了核容放电测试以外，还有没有快速并且较为准确检测蓄电池容量的其他方法呢？

1. 新的基于模型的蓄电池检测技术介绍

蓄电池是一个极为复杂的系统，其放电及充电反应是复杂的化学及电化学过程，真正决定蓄电池容量及荷电量的是电池的化学和电化学状态。不同的研究者提出了不同的电池模型，其中较为简单、被大家普遍认可的是如下电池模型：

图4：蓄电池电路模型

图4蓄电池电路模型中，各符号的含义如下：

E：蓄电池电动势；

R1：蓄电池欧姆电阻，包括极板、极柱、溶液、隔膜的电阻及接触电阻；

R2：蓄电池极化电阻，包括电化学极化和浓差极化的电阻；

C2：电极双电层电容。

根据上述的电路模型，蓄电池复阻抗计算公式如下：

式中：f为测试信号频率。

从式中可以看出，如果采用多个频率进行测试，可以建立联立方程，分别计算出蓄电池欧姆电阻、极化电阻、电容、电感等特性参数。

深圳市博亿智能设备科技有限公司根据电池的物理模型，使用多频点蓄电池测试技术，对不同厂家、不同容量、使用年限不同的电池，进行了大量的试验。图5是一组实验结果。从图5可以看出，电极双电层电容C2对电池容量是极为敏感的，可作为蓄电池荷电量的指标；蓄电池极化电阻R2对充电过程的化学反应很敏感，可以作为电池充满电的标志，防止电池过充时，出现水解副反应造成失水，继而降低电池的使用寿命。

图5：基于模型的蓄电池各参数关系曲线图

4、结论

在理论分析及大量试验基础上，深圳市博亿智能设备科技有限公司提出了一种全新的蓄电池荷电量测试方法，并据此开发研制出了多频点蓄电池容量分析仪，采用多个频率对蓄电池进行测试。同时，采用数字信号分析处理技术，准确测量并计算出蓄电池的欧姆电阻、极化电阻、电容、电感等特性参数，*不需要对蓄电池进行核容放电，只需利用这些参数和电池容量的对应关系，即可以对荷电量在0%~）的蓄电池，快速准确地测量出其真实荷电量，从而得出蓄电池内阻与其容量相关性的结论。