蓄电池在线检测技术原理分析

丁聪 黄 赟 王天翔 柯成

1．上海邮电设计咨询研究院有限公司；2中国移动通信集团上海有限公司

引言

目前在通信行业阀控铅酸蓄电池在线监测技术中，国内外较为普遍采用的蓄电池电压巡检模式，近10年来此类技术的产品和方案，在中高压直流操作电源、通信电源系统、UPS电源、EPS电源中得到广泛的应用。但在设计院设计方案和运营商用户的实际使用中始终存在一个困惑：仅通过蓄电池浮充状态下电压的变化，难以体现蓄电池真实的充放电性能变化。对于终端用户来说，更加关注蓄电池在线检测技术，提前发现蓄电池性能的劣化、容量落后，并对此趋势进行有效的把控，防止因为蓄电池组故障而带来的通信用电的隐患以及相关生产事故。

1 蓄电池运行前期的现场数据

图1．1中蓄电池是某运营商分公司单组32节蓄电池组的实时采集数据。蓄电池的电池配置电压为380V，每组32节，单节电池规格为12V100Ah，投运时间为1年。从图1．1中可以看出，蓄电池组单节电池的浮充电压属于正常范围，且电压的一致性较好，但通过单节内阻参数，存在内阻最大（16．2 mΩ）与内阻最小（10．4 mΩ），可见蓄电池组性能一致性的差异所在。

图1．1 蓄电池组1单体的浮充电压与内阻直方图

图1．2是通过单体的电压曲线图，明显可见32节蓄电池的电压较为均衡，彼此偏差较小。

图1．2 蓄电池单体电压差异比

如果将蓄电池内阻曲线与电压曲线同步于同一图中（图1．3），不难看出问题所在，即虽然单节电池电压连贯一致，单体电压差异很小，但蓄电池内阻参数偏差很大，实际放电或存在因整体一致性差而导致整组放电容量失效情况。

图1．3 蓄电池组单体的浮充电压与内阻一致性差异比较

由此可见，仅通过蓄电池电压（在线运行参数）在线检测与后台数据分析比较，是无法发现蓄电池真实的充放电性能的。蓄电池在线检测必须着重关注其内部参数，即性能参数。

2 蓄电池运行参数与性能参数

阀控铅酸蓄电池有两类指标，一类是在线运行参数，另一类是内部参数（即性能参数）。

在线运行参数是通过外部电源施加于蓄电池的，同时外部电源是可以调整的参数，如充、放电电流、温度及工作电压等。而内部参数，也称性能参数是蓄电池固有的，是真实表征蓄电池性能的参数，如电池的内阻、容量等。

阀控铅酸蓄电池浮充电压、充放电电流及温度是电池运行的重要参数，这些参数的准确性及科学性可以确保阀控铅酸蓄电池长期可靠运行，是安全可靠的必需条件。所以，目前动环系统均将上述运行参数作为必须测量的项目，并加以严密的在线监测和后台管理，这是保证蓄电池正常工作的条件。

然而，在线运行参数，仅是其安全运行的必要条件之一，而基于在线运行参数检测的动环系统并不能准确反映阀控铅酸蓄电池的内部固有性能参数。如果要真正实现对阀控铅酸蓄电池的科学化智能化的监测管理，就必须监测其内部性能参数，真实反映阀控铅酸蓄电池性能劣化、落后、失效。

此外，通信行业动环系统监测浮充状态下蓄电池组电压，本质上是基于单体电池浮充电压的监测。当外界电源施加电流作用于单体电池，外界的电流与单体电池端电压相互叠加影响产生单体电池电压，单体电池电压累加即蓄电池组总电压，往往造成正常电池和失效电池在浮充电压上的差异不大，但整组电池容量上损耗严重。

3 蓄电池运行实测数据

图3．1是某运营商服役4年的蓄电池组电压和内阻直方图。该组单体电池内阻差异较大，其中No．14、No．15、No．17蓄电池的内阻已经超出其他电池内阻平均值的5倍以上；同时单体电压上也反应出性能差异。其中No．15电池的电压已经低到3V以下（图3．2）。

图3．1 蓄电池组单体的浮充电压与内阻直方图

图3．2 蓄电池组单体的电压折线图

综合比较电压和内阻，由图3．3可见，仅通过蓄电池浮充电压的变化，无法发现蓄电池性能的差异，更不能发现蓄电池性能劣化的程度和趋势。必须通过在线实时监测蓄电池内阻变化情况，运用单体电池电压和内阻的数据综合比较，可以快速掌握蓄电池性能状况。

图3．3 蓄电池组单体的电压和内阻曲线图

4 内阻与电池性能关系验证

表4．1为在某UPS公司的厂内测试。首先选择一组20节电池的电池组（电池电压12V），接入蓄电池在线巡检仪（内阻型），进行蓄电池内阻的测试；然后将No．1～No．5更换为已知失效的蓄电池（且是同容量、同状态下），进行再次测量。

表4．1 不同性能电池内阻对照表

为验证内阻与性能劣化的关联关系，进行放电测试，将No．1～No．5这5个已知劣化严重电池，与其他电池进行比对试验。这5个电池的容量都在10%，而其他电池容量在80%以上。

图4．1 电池更换前后内阻直方图

No．1～No．5蓄电池内阻前后的变化之大，明确了内阻与蓄电池性能的直接关系。由此可见，通过蓄电池内阻参数的测量，比较蓄电池内阻，可以直接反映蓄电池性能的差异，并反映蓄电池劣化的状况，对于阀控铅酸蓄电池的早期预警以及故障诊断，具有重要的实际意义。

5 内阻监测的应用

由于蓄电池内阻测量的工作原理不同；不同蓄电池厂家，在极板、板珊的成分、电解液的浓度、隔膜的选择不同和内阻不同；另外由于蓄电池荷电态不同，蓄电池的内阻值不同，如何选择合适有效的内阻测量方法来还原蓄电池劣化的状况是蓄电池内阻检测应用的关键。

5.1 不同测量方法对内阻值的影响

不同型号的测量仪器可能使用不同的内阻测量方法，尤其是不同的测试原理，所获得的电池内阻数据有较大的差异。无论哪种测量方法，在数值上存在一定的差异，这是由于测量原理的不同所致，同时测量的蓄电池内阻的含义不同。

对一组20节12V38Ah铅酸阀控蓄电池组，分别采用HIOKI内阻测试仪（工作频率1000Hz）和LM103蓄电池在线巡检仪（工作频率10Hz）测量20节蓄电池的内阻，其结果如图5．1所示。BIS蓄电池在线诊断装置所测数据均比HIOKI的数值高。虽然两种方法测量的数据存在差异，但反映蓄电池差异的趋势方面是一致。

图5．1 不同测试方法的铅酸蓄电池内阻

5.2 不同荷电状态对内阻值的影响

蓄电池处于不同的状态，其内阻值也有很大的差异，通过比较蓄电池不同状态下（充电、放电）内阻参数而获得有意义的指导。图5．2是某运营商的高压直流操作电源中的一组104节蓄电池（电池电压为2V），在实际测量过程中，蓄电池自浮充状态下，放电-充电全过程内阻与电压的变化曲线。可见，蓄电池不同的荷电态下，蓄电池的内阻数值是不同的，并且随着荷电的下降，蓄电池内阻呈上升趋势。

图5．2 放电/充电过程电压/内阻变化

同一个蓄电池在放电结束后转入充电状态，直至充满为止的过程中，蓄电池内阻的变化是与电压呈相反趋势，即内阻趋于变小。即在表述蓄电池内阻的同时，必须注明蓄电池的荷电状态，对于分析内阻才有价值。

图5．3是蓄电池在不同放电倍率下内阻变化的曲线。

图5．3 不同放电倍率下蓄电池内阻的变化

随放电电流的改变，其内阻变化的曲线不同；但无论是在什么放电倍率下的电流，在放电初期，蓄电池的内阻是不随放电电流的改变而改变，即当蓄电池放电初期，内阻是一个相对稳定的数值，并不随外界条件的改变而变化。

当蓄电池处于放电初期阶段，假定蓄电池处于充满电的状态，蓄电池的内阻是一个相对稳定的数值，其不随外界条件的改变而变化。可见，在蓄电池放电初期，通过测量内阻的变化，作为蓄电池性能劣化的判断依据，可直接反映蓄电池性能变化。

5.3 内阻与剩余容量的相关性研究

笔者通过大量测试数据分析了阻抗与SOH之间的相关性。总结如下：

(1)电池的劣化失效遵循一定的规律；

(2)一些类型的电池劣化引起阻抗变化；

(3)在蓄电池劣化的初期，其阻抗的变化不易察觉；

严重失效的电池其阻抗变化强烈，即用阻抗方法能发现所有严重失效的电池。某国外研究机构通过168节1000Ah的电池现场测试数据说明阻抗的倒数（电导）与劣化程度的相关性。

图5．4 电池电导与劣化程度的关系

6 蓄电池检测对节能和环保的影响

蓄电池检测对于节能环保的意义是多方面的。

（1）根据上文所述，蓄电池的状态与蓄电池的当前内阻存在密切关系。蓄电池内阻的增加会导致放电时端电压下降，电池内耗上升，进而导致放电效率的下降，总放电量的下降。因此，进行蓄电池内阻的监测，及时剔除、更换内阻过大的蓄电池可以有效的减少蓄电池放电时的内耗，提高整组蓄电池的放电效率。在放电量需求相同的条件下，蓄电池总消耗容量下降，进而实现节能的目的。

（2）单节坏电池（或内阻过大的电池）会影响到整组蓄电池的表现。蓄电池组中的坏电池会在充放电中出现过充电、过放电现象，继续使用可能导致正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，在自身损坏的同时还会导致整组电池的容量明显减少，放电电压无法保证，放电效率下降等能耗上升的问题。

（3）电池组中存在坏电池会影响到整组电池的使用寿命。如果一组蓄电池中部分电池的内阻与其他电池差距过大，在充电时得到的充电电压就不平均，无论充电电压不足或者充电电压过高都会导致蓄电池组失效变快。及时发现蓄电池组中内阻异常的电池可以有效的延长整租蓄电池使用寿命，进而在降低生产成本、节约能源的同时，实现了对环境的保护。

7 结论

动环系统检测的蓄电池浮充电压实时数据，作为在线运行参数对蓄电池的性能无直接关联性；而蓄电池内阻作为内部参数，即性能参数，对于分析蓄电池的性能有直接关联性。依据诸多实际项目，笔者认为蓄电池内阻参数可作为蓄电池性能判断依据，支持依据如下：

1)蓄电池内阻的研究及国外相关机构的研究报告显示，近二十年来无一例外的一个蓄电池性能严重衰减或容量严重下降，但其内阻没有变化的实例。

2)在蓄电池性能失效时（尤其是阀控铅酸蓄电池），无论何种模式的失效，都必然体现内阻异常。

综合实践数据，总结如下：

（1）同一条件，同一手段方法测量内阻，才是讨论蓄电池性能的参数的根本；在此标准下，蓄电池内阻变化与蓄电池性能或容量存在直接关联性，且能够得出准确可靠的结论。

（2）同一条件，不同手段方法测量内阻，内阻的代表含义不尽相同，其数值不可能完全一致，不具备可比性，但有趋势性。

（3）不同条件，采用不同手段方法测量内阻，以达到建立蓄电池内阻与性能或容量衰减的某种关联。