蓄电池容量在线检测的研究
摘要：蓄电池组是直流系统安全可靠供电的最后保障，蓄电池容量在线检测是保障蓄电池可靠 供电的有效措施。目前常用的蓄电池容量检测方法只能离线检测，不能实现在线检测。本文提 出的基于蓄电池容量与阻抗最佳关联度的交流四端法是测量蓄电池内阻的新方法，能够克服常 用四端法在蓄电池满容或接近满容时检测困难的缺陷，做到了蓄电池内阻的实时在线检测，为 直流系统检修模式由计划检修向状态维修转变做出了有益的探索。
关健词：蓄电池；在线检测；交流四端法；状态维修
现代光纤通信传送网中所使用的蓄电池组均为 阀控式铅酸蓄电池组，浮充状态下的电池端电压本 身并不能真正完全反映电池的性能状况，即使是性
收稿日期：2009-04-05
能变差的电池在浮充状态下也能测得合格的端电 压，因此核对性放电只能在离线状态下进行。对蓄 电池组的常用检测方法就是测量单体电池的端电压 及每年对电池进行一次容量核对性放电。而平时蓄 电池组工作在浮充状态，在放电期间及放电结束后 再充电期间，该电池组无法保证市电断电状态下的 放电要求，从而引发人为因素的通信阻断。因此， 实现直流系统蓄电池容量的在线检测，对提高直流
系统的安全运行、提高直流供电的可靠性和自动化 程度，有着十分重要的意义[1]。
2蓄电池容量检测常用方法
目前核对性放电试验是检测蓄电池容量比较常 用和可靠的方法[2-3]，这种方法对包括阀控式铅酸 蓄电池在内的整个备用电源系统进行全面的检查， 可以检查出各单体电池和电池外部电路的任何故 障，因此被公认为是比较可靠的方法。但是由于下 列原因重复进行放电试验并不是理想的方法：①费 时费力，有一定的危险性；②频繁的满容量放电会 加速蓄电池老化，减少蓄电池寿命；③在放电期间 及放电后的再充电期间，蓄电池在紧急情况下不能 为负载供电；④放电试验仅能给出试验时的电池容 量和性能，不能预测将来的容量和性能。因此应尽 量避免频繁的容量放电试验，特别是满容量放电试 验。况且，这种放电试验本质上属于“计划维修”， 如果在下次放电试验前蓄电池发生故障，则会对直 流系统的安全运行造成重大隐患。
由于电池的容量与电池内阻存在很好的相关 性，一般而言，电池的容量越大，内阻就越小，因 此可以通过测量蓄电池的内阻，对电池的容量进行 在线评估。
目前常见的内阻测量方法主要有：密度法、开 路电压法和直流放电法。密度法主要通过测量蓄电 池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口 式铅酸蓄电池的内阻测量，显然不适合密封铅酸蓄 电池。开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估 计蓄电池的内阻，精度很差，甚至得出错误的结 论，因为即使一个容量已变得很小的蓄电池，在浮 充状态下其端电压仍可能表现得很正常。直流放电 法就是通过对电池进行瞬间大电流（一般为几十到 上百安培）放电，测量电池上的瞬间电压降，通过 欧姆定律计算出电池内阻。但由于这种放电法需脱 机进行大电流放电，不能实现在线实时测量。
3蓄电池阻抗的测量
Ershleret及Randles等人在20世纪60年代初
提出了采集测量电极阻抗作为频率函数的方法来研 究电化学过程，近两年许多人对此方法进行了推 广，已得到多方面的应用，如低频阻抗外推法，能
较简便地测量电池在充/放电过程中阻抗的变化[4]。
设电池两个电极保持恒定的电势，并有直流电 流在它们之间流过。在电池两端施加一个幅值很小 的正弦交变电压，使电池中电流包含一个幅值很小 的正弦交变电流。VRLA蓄电池电气参数等效电路 如图1所示。
平面阻抗，称为Waburg阻抗，是由电极浓差极化 所引起的浓差阻抗，电极反应的容抗特性及电阻特 性有关。RK/Ck并联表示电池电动势恒定时，交流 电流将超前交流电压U，R为电极反应内阻，表 征交流电压变化时分布于电极表面上那部分交流电 流不能立即变化的特性。Cd为电极双电层电容。 在低频测量过程中由于电池的浓差极化和双电层电 容可以忽略，因此Z一0，相应地电池的阻抗Z的 方程通常采用复数形式写出：
由图2可见，VRLA蓄电池交流阻抗曲线包括 以下四个部分：①频率低于100 Hz时体现的感性
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《蓄电池》2009年第3期
部分；②高频电阻Rhf，即超过100HZ后的实部； ③在0.1100 Hz之间的第一个小容性环（半径为 R)；④低于0.1Hz后的第二个容性环（半径为 R。
对蓄电池阻抗谱的解释为：①超过100Hz部 分呈现的感性部分是电池内部几何结构和连接部件 的影响；②欧姆电阻包含连接电阻、隔板电阻、电 解液电阻和硫酸铅晶体结合面电阻；③小容性环与 电极的孔率有关；④大容性环依赖于电极反应，其 速率受Pb2+传质速度限制。
因此，VRLA蓄电池的阻抗是一个复阻抗，在 其它条件不变的情况下与测试频率有关。VRLA蓄 电池的内阻是复阻抗的模，因此VRLA蓄电池的 内阻也是指在某一测试频率下的内阻值。不同测试 原理仪器，尤其是采用不同测试频率的仪器，对同 一 VRLA蓄电池测试得到的结果会有很大的不 同。
4蓄电池容量与内阻的关系[6]
蓄电池的容量与内阻之间具有一定的相关性。 一般而言，蓄电池的容量越大，内阻就越小，用现 有内阻测试仪实测内阻与其容量相比较，我们发 现，在蓄电池不满容状态下（剩余容量低于正常容 量的60 %)，蓄电池的内阻明显增大，容量与内阻 的相关性良好，用内阻估测蓄电池的容量精度高、 效果好；而在蓄电池满容及剩余容量较高时（剩余 容量大于正常容量的70 %)，蓄电池内阻变化很 小，用内阻变化很难估算蓄电池的容量，如图3。
蓄电池的阻抗既然是一个复阻抗，蓄电池内阻 的测试值又与测试频率相关，那么我们是否能够找 到一个或几个较佳频点来正确反映蓄电池容量变化 关系呢？
图3不同容量下的电池内阻
5蓄电池内阻测试再讨论[7-8]
用交流法测量电池内阻时将一个交流测试信号 加在电池上，然后测量流过电池的电流•和该电流 在电池两端产生的交流电压降，由此可以导出阻抗
Z=Jt R=IZ cos
差，从而计算出电池的内阻。由于交流信号的频率 一般都选择得可以忽略电容的影响，测得的数据实 际上就是电阻。交流法的缺点是易受充电器纹波和 其它噪声源的影响。但是如果选择适当的测试频 率，并采用有效的滤波器，是可以避免电源纹波和 其它噪声的影响的。交流法的优点对在线使用的蓄 电池来说，此方法对系统影响较小，并可在电池的 整个使用期内精确测量。同时施加的低频信号频率 非常低，施加的交流电流也非常小，故不会对蓄电 池的性能造成影响，并且不需要负载箱。
当蓄电池处于开路状态时，可以近似地认为蓄 电池的正、负极处于平衡电位状态。在蓄电池正、 负极施加恒定的电位差时，就会有直流电流流过； 如果在此电位差上叠加一个幅度相当小(一般小于 10 mV)的正弦交流电压就会有正弦交流电流从其中 流过，该电流的大小依赖于电极电位和电极表面附 近电解液层中参与电化学反应的物质的浓度(或活 度)。交流电流中依赖于电极电位的这部分是跟交 流电压同相位的，可以用传输电阻来表示。依赖于 物质浓度的这部分交流电流是受反应物和生成物扩 散过程控制的，Warbug提出这种控制作用可以表 示为一个由电阻和电容串联组成的阻抗，该电阻和 电容成分跟交流电频率平方根成反比。如果电化学 反应结果会有一部分物质吸附在电极表面，则这部 分表面就被覆盖了，就会对总的交流电流大小有影 响，它跟交流电压的频率相同但位相却不同，这种 影响可以用电阻Ri和电容Q并联组成的电抗来表 示。当电池两极上没有电化学反应进行时，在正弦 交流电压作用下的交流电流只用于电极双重电容的 充/放电。
由于VRLA蓄电池交流阻抗中有感抗存在， 不能采用在复数平面图中相应虚部为零时的阻抗实 部值作为电池内阻值，而是采用电池阻抗模变化最 小的频率区域(0.110 kHz)中阻抗实部的平均值作
为电池内阻，此时浓差极化的干扰相对小一些。
采用上述方法对蓄电池内阻进行测量已经有商 业化的产品，比较典型的是日本日置公司的 HIOKI3551电池测试仪。该仪器的注入信号频率为 1kC。
6蓄电池阻抗与容量的最佳关联度
图3为6 V/4 A阀控式铅酸蓄电池在0.4 A恒 流放电时内阻和剩余容量的变化曲线。内阻的测量 方法为0.110 kHz的高频区阻抗实部的平均值。 由图3可以看出，当蓄电池剩余容量低于60 %时， 蓄电池内阻的变化趋势明显，内阻的变化能够反应 蓄电池容量的变化；当蓄电池剩余容量大于60 % 时，蓄电池内阻几乎没有变化，因而在蓄电池容量 大于60 %至蓄电池满容量时，蓄电池内阻的变化 无法反应蓄电池容量的变化趋势。而通信用阀控铅 酸蓄电池有98 %以上的时间里工作在浮充状态下， 蓄电池容量为满容或接近满容量状态，因此用该方 法对通信用阀控铅酸蓄电池作在线检测无法正确反 应蓄电池当前的剩余容量值。
阀控铅酸蓄电池的阻抗既然是一个复阻抗，它 与测试频率相关，为了找出阀控铅酸蓄电池容量与
内阻的最佳对应关系，做如下实验：对6V/4A阀 控铅酸蓄电池，用交流幅值300 mA、频率变化范 围为0.11000 Hz的交流信号对VRLA蓄电池进 行阻抗测试，蓄电池的容量变化范围为满容量的 60 %100 %，实验测得的几组典型数据如表1。
依据灰色关联理论，二事物的关联度越高，二 者的联系越紧密，后者越能反映与前一事物的联 系，反之二事物的联系不紧密或没有联系。计算表
1 中信号频率为 1 Hz、3.16 Hz、5.62 Hz、10 Hz、 100 Hz、500 Hz、1000 Hz时蓄电池阻抗与容量的 关联度，结果如表2。将测试结果用灰色理论的灰 色关联进行分析，我们发现：VRLA蓄电池阻抗在 10 Hz、5.62 Hz、及3.16 Hz下的阻抗模与蓄电池 容量的关联度最佳。
7 实验验证
某通信站直流系统的蓄电池组由24只
2 V/2000 Ah、型号为GFM- 2000的单体电池串联
而成，现已工作8年。使用本文设计的实验装置对 蓄电池内阻进行测试并换算出蓄电池容量，实验中 使用的标准仪器：美国Alber公司生产的 BCT- 2000铅蓄电池容量测试系统，测量的精度
表1不同频率不同容量时蓄电池的内阻
频率(Hi) 60 % 65 % 70% 75 % 80% 85% 90% 95% 100%
容量时 容量时 容量时 容量时 容量时 容量时 容量时 容量时 容量时
的内阻 的内阻 的内阻 的内阻 的内阻 的内阻 的内阻 的内阻 的内阻
(mO) (mQ) (mO) (mQ) (mO) (mO) (mQ) (mQ) (mO)
1 140 137 136 133 130 129 129 127 126
3.16 118 114 110 105 99 94 88 82 75
5.62 95 90 86 81 75 70 64 59 55
10 85 80 76 73 68 63 56 52 46
100 55 53 50 48 47 45 43 41 40
500 54 53 52 50 48 44 43 42 41
1000 45 42 41 40 40 41 39 40 39
表2不同注入信号下的蓄电池内阻与容量的关联度
注入信号频率(Hz) 1 3.16 5.62 10 100 500 1000
内阻与容量关联度 0.685 0.895 0.876 0.890 0.753 0.643 0.568
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为土 0.5%。买验结果表明本买验装置单体电池容 量测试误差S 1 %，符合设计指标要求和实际工程 需要。
图4为10 Hz测试频率下蓄电池阻抗与容量的 关系和标准测试仪表测得的阻抗与容量的关系对比 图。从图中不难看出，采用10Hz测试频率测得的 阻抗值，总体上要比标准仪表测得阻抗值偏大，在 蓄电池容量值大于70 %时，用标准仪表测得阻抗 曲线是很难反映蓄电池容量的，而采用10 Hz测试
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本文提出了用基于蓄电池容量与内阻的最佳关 联度的交流变频四端法测量蓄电池内阻的新方法， 保证了蓄电池内阻的实时在线检测，使蓄电池内阻 与容量之间的相关性达到最优，为准确判定蓄电池 的剩余容量提供了可靠依据。通过实验证明了本文 提出的检测方法的可行性，单体电池容量测试误 差 S 1 %。
参考文献：
[1]邵双喜,史鹏飞,马亚旗.阀控密封铅酸蓄电池 电导/内阻与电池性能关系研究[J].蓄电池，
« 余？
阁4蓄电池在10Hz测U：频率下的阻抗模 与传统测试方法比较
频率实测曲线在此区域就能较好地反应容量变化。 由于蓄电池组平时工作在浮充状态，绝大部分时间 是工作在满容或接近满容状态的，本文所提出的测 试方法，很好地解决了这一问题。
[6] Xianfeng Liu, Jiyan Zou, Xu Zang. Investigations on the Reliability of Storage Battery Array with High Capability[C]. Proceedings of2008 Interna tional Conference on Condition Monitoring and Di agnosis, 735- 737.
1008060 US/IB-2:
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流又减小到小于1 A，风扇开始加速，PTC陶瓷电 阻表面温度下降，阻值减小，电流值上升，而后又 大于1 A； t>6 min后，电流值趋于稳定，电流偏 差最大值为0.0069 A，满足大容量蓄电池组恒流放 电的要求。
3 结论
本文通过对PTC陶瓷电阻的电阻一温度特性 曲线进行分析，利用PTC的正温度系数所表现出 的非线性阻抗特性，控制PTC表面的温度，间接 调节PTC的阻抗，实现岸基大容量蓄电池组恒流 放电。这种放电装置已在几个岸基实际使用，使用
效果好，对准确标定大容量蓄电池组容量、更好的 对大容量蓄电池组进行维护起到了良好的作用，延 长了大容量蓄电池组的使用寿命。
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