蓄電池在線檢測技術原理分析

丁聰 黃 赟 王天翔 柯成

1．上海郵電設計咨詢研究院有限公司；2中國移動通信集團上海有限公司

引言

目前在通信行業閥控鉛酸蓄電池在線監測技術中，國內外較為普遍采用的蓄電池電壓巡檢模式，近10年來此類技術的產品和方案，在中高壓直流操作電源、通信電源系統、UPS電源、EPS電源中得到廣泛的應用。但在設計院設計方案和運營商用戶的實際使用中始終存在一個困惑：僅通過蓄電池浮充狀態下電壓的變化，難以體現蓄電池真實的充放電性能變化。對于終端用戶來說，更加關注蓄電池在線檢測技術，提前發現蓄電池性能的劣化、容量落后，并對此趨勢進行有效的把控，防止因為蓄電池組故障而帶來的通信用電的隱患以及相關生產事故。

1 蓄電池運行前期的現場數據

圖1．1中蓄電池是某運營商分公司單組32節蓄電池組的實時采集數據。蓄電池的電池配置電壓為380V，每組32節，單節電池規格為12V100Ah，投運時間為1年。從圖1．1中可以看出，蓄電池組單節電池的浮充電壓屬于正常范圍，且電壓的一致性較好，但通過單節內阻參數，存在內阻最大（16．2 mΩ）與內阻最?。?0．4 mΩ），可見蓄電池組性能一致性的差異所在。

圖1．1 蓄電池組1單體的浮充電壓與內阻直方圖

圖1．2是通過單體的電壓曲線圖，明顯可見32節蓄電池的電壓較為均衡，彼此偏差較小。

圖1．2 蓄電池單體電壓差異比

如果將蓄電池內阻曲線與電壓曲線同步于同一圖中（圖1．3），不難看出問題所在，即雖然單節電池電壓連貫一致，單體電壓差異很小，但蓄電池內阻參數偏差很大，實際放電或存在因整體一致性差而導致整組放電容量失效情況。

圖1．3 蓄電池組單體的浮充電壓與內阻一致性差異比較

由此可見，僅通過蓄電池電壓（在線運行參數）在線檢測與后臺數據分析比較，是無法發現蓄電池真實的充放電性能的。蓄電池在線檢測必須著重關注其內部參數，即性能參數。

2 蓄電池運行參數與性能參數

閥控鉛酸蓄電池有兩類指標，一類是在線運行參數，另一類是內部參數（即性能參數）。

在線運行參數是通過外部電源施加于蓄電池的，同時外部電源是可以調整的參數，如充、放電電流、溫度及工作電壓等。而內部參數，也稱性能參數是蓄電池固有的，是真實表征蓄電池性能的參數，如電池的內阻、容量等。

閥控鉛酸蓄電池浮充電壓、充放電電流及溫度是電池運行的重要參數，這些參數的準確性及科學性可以確保閥控鉛酸蓄電池長期可靠運行，是安全可靠的必需條件。所以，目前動環系統均將上述運行參數作為必須測量的項目，并加以嚴密的在線監測和后臺管理，這是保證蓄電池正常工作的條件。

然而，在線運行參數，僅是其安全運行的必要條件之一，而基于在線運行參數檢測的動環系統并不能準確反映閥控鉛酸蓄電池的內部固有性能參數。如果要真正實現對閥控鉛酸蓄電池的科學化智能化的監測管理，就必須監測其內部性能參數，真實反映閥控鉛酸蓄電池性能劣化、落后、失效。

此外，通信行業動環系統監測浮充狀態下蓄電池組電壓，本質上是基于單體電池浮充電壓的監測。當外界電源施加電流作用于單體電池，外界的電流與單體電池端電壓相互疊加影響產生單體電池電壓，單體電池電壓累加即蓄電池組總電壓，往往造成正常電池和失效電池在浮充電壓上的差異不大，但整組電池容量上損耗嚴重。

3 蓄電池運行實測數據

圖3．1是某運營商服役4年的蓄電池組電壓和內阻直方圖。該組單體電池內阻差異較大，其中No．14、No．15、No．17蓄電池的內阻已經超出其他電池內阻平均值的5倍以上；同時單體電壓上也反應出性能差異。其中No．15電池的電壓已經低到3V以下（圖3．2）。

圖3．1 蓄電池組單體的浮充電壓與內阻直方圖

圖3．2 蓄電池組單體的電壓折線圖

綜合比較電壓和內阻，由圖3．3可見，僅通過蓄電池浮充電壓的變化，無法發現蓄電池性能的差異，更不能發現蓄電池性能劣化的程度和趨勢。必須通過在線實時監測蓄電池內阻變化情況，運用單體電池電壓和內阻的數據綜合比較，可以快速掌握蓄電池性能狀況。

圖3．3 蓄電池組單體的電壓和內阻曲線圖

4 內阻與電池性能關系驗證

表4．1為在某UPS公司的廠內測試。首先選擇一組20節電池的電池組（電池電壓12V），接入蓄電池在線巡檢儀（內阻型），進行蓄電池內阻的測試；然后將No．1～No．5更換為已知失效的蓄電池（且是同容量、同狀態下），進行再次測量。

表4．1 不同性能電池內阻對照表

為驗證內阻與性能劣化的關聯關系，進行放電測試，將No．1～No．5這5個已知劣化嚴重電池，與其他電池進行比對試驗。這5個電池的容量都在10%，而其他電池容量在80%以上。

圖4．1 電池更換前后內阻直方圖

No．1～No．5蓄電池內阻前后的變化之大，明確了內阻與蓄電池性能的直接關系。由此可見，通過蓄電池內阻參數的測量，比較蓄電池內阻，可以直接反映蓄電池性能的差異，并反映蓄電池劣化的狀況，對于閥控鉛酸蓄電池的早期預警以及故障診斷，具有重要的實際意義。

5 內阻監測的應用

由于蓄電池內阻測量的工作原理不同；不同蓄電池廠家，在極板、板珊的成分、電解液的濃度、隔膜的選擇不同和內阻不同；另外由于蓄電池荷電態不同，蓄電池的內阻值不同，如何選擇合適有效的內阻測量方法來還原蓄電池劣化的狀況是蓄電池內阻檢測應用的關鍵。

5.1 不同測量方法對內阻值的影響

不同型號的測量儀器可能使用不同的內阻測量方法，尤其是不同的測試原理，所獲得的電池內阻數據有較大的差異。無論哪種測量方法，在數值上存在一定的差異，這是由于測量原理的不同所致，同時測量的蓄電池內阻的含義不同。

對一組20節12V38Ah鉛酸閥控蓄電池組，分別采用HIOKI內阻測試儀（工作頻率1000Hz）和LM103蓄電池在線巡檢儀（工作頻率10Hz）測量20節蓄電池的內阻，其結果如圖5．1所示。BIS蓄電池在線診斷裝置所測數據均比HIOKI的數值高。雖然兩種方法測量的數據存在差異，但反映蓄電池差異的趨勢方面是一致。

圖5．1 不同測試方法的鉛酸蓄電池內阻

5.2 不同荷電狀態對內阻值的影響

蓄電池處于不同的狀態，其內阻值也有很大的差異，通過比較蓄電池不同狀態下（充電、放電）內阻參數而獲得有意義的指導。圖5．2是某運營商的高壓直流操作電源中的一組104節蓄電池（電池電壓為2V），在實際測量過程中，蓄電池自浮充狀態下，放電-充電全過程內阻與電壓的變化曲線?？梢?，蓄電池不同的荷電態下，蓄電池的內阻數值是不同的，并且隨著荷電的下降，蓄電池內阻呈上升趨勢。

圖5．2 放電/充電過程電壓/內阻變化

同一個蓄電池在放電結束后轉入充電狀態，直至充滿為止的過程中，蓄電池內阻的變化是與電壓呈相反趨勢，即內阻趨于變小。即在表述蓄電池內阻的同時，必須注明蓄電池的荷電狀態，對于分析內阻才有價值。

圖5．3是蓄電池在不同放電倍率下內阻變化的曲線。

圖5．3 不同放電倍率下蓄電池內阻的變化

隨放電電流的改變，其內阻變化的曲線不同；但無論是在什么放電倍率下的電流，在放電初期，蓄電池的內阻是不隨放電電流的改變而改變，即當蓄電池放電初期，內阻是一個相對穩定的數值，并不隨外界條件的改變而變化。

當蓄電池處于放電初期階段，假定蓄電池處于充滿電的狀態，蓄電池的內阻是一個相對穩定的數值，其不隨外界條件的改變而變化?？梢?，在蓄電池放電初期，通過測量內阻的變化，作為蓄電池性能劣化的判斷依據，可直接反映蓄電池性能變化。

5.3 內阻與剩余容量的相關性研究

筆者通過大量測試數據分析了阻抗與SOH之間的相關性?？偨Y如下：

(1)電池的劣化失效遵循一定的規律；

(2)一些類型的電池劣化引起阻抗變化；

(3)在蓄電池劣化的初期，其阻抗的變化不易察覺；

嚴重失效的電池其阻抗變化強烈，即用阻抗方法能發現所有嚴重失效的電池。某國外研究機構通過168節1000Ah的電池現場測試數據說明阻抗的倒數（電導）與劣化程度的相關性。

圖5．4 電池電導與劣化程度的關系

6 蓄電池檢測對節能和環保的影響

蓄電池檢測對于節能環保的意義是多方面的。

（1）根據上文所述，蓄電池的狀態與蓄電池的當前內阻存在密切關系。蓄電池內阻的增加會導致放電時端電壓下降，電池內耗上升，進而導致放電效率的下降，總放電量的下降。因此，進行蓄電池內阻的監測，及時剔除、更換內阻過大的蓄電池可以有效的減少蓄電池放電時的內耗，提高整組蓄電池的放電效率。在放電量需求相同的條件下，蓄電池總消耗容量下降，進而實現節能的目的。

（2）單節壞電池（或內阻過大的電池）會影響到整組蓄電池的表現。蓄電池組中的壞電池會在充放電中出現過充電、過放電現象，繼續使用可能導致正、負極活性物質的可逆性遭到損壞，在自身損壞的同時還會導致整組電池的容量明顯減少，放電電壓無法保證，放電效率下降等能耗上升的問題。

（3）電池組中存在壞電池會影響到整組電池的使用壽命。如果一組蓄電池中部分電池的內阻與其他電池差距過大，在充電時得到的充電電壓就不平均，無論充電電壓不足或者充電電壓過高都會導致蓄電池組失效變快。及時發現蓄電池組中內阻異常的電池可以有效的延長整租蓄電池使用壽命，進而在降低生產成本、節約能源的同時，實現了對環境的保護。

7 結論

動環系統檢測的蓄電池浮充電壓實時數據，作為在線運行參數對蓄電池的性能無直接關聯性；而蓄電池內阻作為內部參數，即性能參數，對于分析蓄電池的性能有直接關聯性。依據諸多實際項目，筆者認為蓄電池內阻參數可作為蓄電池性能判斷依據，支持依據如下：

1)蓄電池內阻的研究及國外相關機構的研究報告顯示，近二十年來無一例外的一個蓄電池性能嚴重衰減或容量嚴重下降，但其內阻沒有變化的實例。

2)在蓄電池性能失效時（尤其是閥控鉛酸蓄電池），無論何種模式的失效，都必然體現內阻異常。

綜合實踐數據，總結如下：

（1）同一條件，同一手段方法測量內阻，才是討論蓄電池性能的參數的根本；在此標準下，蓄電池內阻變化與蓄電池性能或容量存在直接關聯性，且能夠得出準確可靠的結論。

（2）同一條件，不同手段方法測量內阻，內阻的代表含義不盡相同，其數值不可能完全一致，不具備可比性，但有趨勢性。

（3）不同條件，采用不同手段方法測量內阻，以達到建立蓄電池內阻與性能或容量衰減的某種關聯。