蓄电池容量测试

1、目 录一.概述31.电池结构及工作原理31.1.电池结构图31.2.工作原理41.3.铅酸蓄电池电化学原理41.4.电池技术特性5二.测试原理71.蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型72.蓄电池剩余容量在线测试仪的研制方案83.蓄电池剩余容量在线测试仪的实现9三.测试方式比较101.离线式放电法技术分析102.在线评估式放电法技术分析103.全在线放电技术分析113.1.在线放电结束后，自动完成在线充电恢复等电位连接133.2.在线放电“无缝连接”技术134.在线放电技术与当前放电技术对比分析144.1.与离线放电技术对比分析144.2.与在线评估式放电技术对比分析15四.测试方法151.

2、半荷内阻法151.1.电池组放电的电压曲线族151.2.蓄电池组放电的内阻曲线族161.3.电池组放电下内阻分布的反差曲线191.4.半荷内阻法及判别准确率201.5.半荷内阻法实用关键问题探讨221.6.从蓄电池组的压阻曲线族看蓄电池检测技术的演变241.7.结语252.内阻法252.1.内阻法预测剩余容量的实施方案262.2.高噪声情况下在线测量方法的改进272.3.实验结果29五.测试设备29六.解决方法401.活性剂401.1.功能原理401.2.产品特点402.安装铅酸电池再生器解决硫化的最佳利器412.1.再生器的功能原理412.2.再生器的特点422.3.再生器使用方法422.4

3、.再生器注意事项42第 2 页 共 44 页一. 概述1. 电池结构及工作原理1.1. 电池结构图蓄电池结构图电池槽、盖选用超强阻燃ABS塑料；提手便于搬运；正负极群板栅采用特殊的铅钙锡铝四元合金，抗伸延，耐腐蚀，析氢过电位高；微细玻璃纤维隔板优选隔板；汇流排耐大电流冲击；端子内嵌铜芯，使其电阻最小化，极柱密封采用瑞士专利技术；安全阀具有耐酸和良好的弹性恢复能力。1.2. 工作原理阀控式密封铅酸蓄电池在充放电过程中的化学反应如下：放电PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4充电(二氧化铅) (硫酸) (海绵状铅) (硫酸铅) (水) (硫酸铅)正极活物质

4、电解液 负极活物质 正极活物质 电解液 负极活物质放电时：正极板的二氧化铅和负极板的海绵状铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度降低；充电时：硫酸铅通过氧化还原反应分恢复成二氧化铅和海绵状铅，电解液中的硫酸浓度增大。1.3. 铅酸蓄电池电化学原理在储电状态下，正极板是深棕色的二氧化铅，负极板是海绵状灰色的纯铅，电解液是硫酸。蓄电池放电时，正极与负极都变成硫酸铅，电解液中硫酸浓度变稀，充电时，正极变回二氧化铅，负极变回纯铅。正极、负极在充放电过程中参加氧化还原反应。密封铅酸蓄电池由于运行时少维护，无酸雾溢出，越来越多应用在电信系统中。密封铅酸蓄电池分为电极方式和阴极吸收方式。1.

5、3.1. 电极方式这种电池内装一对辅助电极，一个吸收氧气，一个吸收氢气，也可以只装一个吸收氢气的辅助电极。吸收氢气的辅助电极上载有使氢易于氧化的催化剂。当蓄电池内部有氢气产生时，被吸收吸氢辅助电极上，构成一个氢电极，与二氧化铅形成一个放电过程，以水的形式回到电池。1.3.2. 阴极吸收方式正极在充电时产生的氧气，通过隔膜扩散到负极，与活性物质铅反应，形成PbO，进而与硫酸反应生成硫酸铅和水。从而无氢、氧从电池中析出。1.4. 电池技术特性1.4.1. 放电特性放电容量与放电电流关系：放电电流越小放电容量越大；反之，放电电流越大放电容量越小。放电容量与温度关系：温度降低放电容量减少。放电特性图图

6、4-2为25温度下0.1C(A)-2.5C(A)的放电电流放电至终止电压时的定电流放电特性图。可以看出，10小时率、3小时率、1小时率的放电特性均较为理想。放电特性图放电容量与环境温度的关系图放电容量与环境温度的关系图1.4.2. 充电特性浮充充电应解决的两个问题：补偿电池因自放电而产生的容量损失避免过充造成电池寿命的缩短充电特性图充电特性图蓄电池放电后的回复充电也可以采用浮动充电方法。上图是按10小时率额定容量50及100放电后的定电流0.1C10(A)定电压（2.23V）充电特性图。放电后的蓄电池充满电所需时间随放电量、充电初期电流、温度而变化。如图中100放电后的电池在25以0.1C10

7、（A）、2.23V/单格进行限流恒压充电，24小时左右可以充电至放电量100以上。二. 测试原理1. 蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型 铅酸蓄电池剩余容量（SOC）与蓄电池端电压、充放电电流、初始电液比重、环境温度等物理化学参数之间的关系可以用数学模型表示，基于这个数学模型，就可以通过测量蓄电池充放电过程中的各个物理参数得知蓄电池的当前容量。数学模型表达式如下： U放 =Ur - axLOG(1+DOD/SOC)- bxLOG(1+I/(Ahx(1+K(T-25)xDODx100) -I/(Ahx(1+K(T-25)xcx(0.01x(25-T)xDOD a：由于反应物和生成物比例改变引

8、起的电压变化的常数，0.10.2； b：电化学极化项常数，0.10.15； c：内阻极化项常数，0.080.15； U充 = Ur+ dxLOG(1+SOC/DOD)+ exLOG(I/(Ahx(1+K(T-25)xSOCx100)   +I/(Ahx(1+K(T-25)xfx(0.01x(25-T)xDOD d：由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.10.2； e：电化学极化项常数，0.20.25； f：内阻极化项常数，0.150.25； JK SOC-I蓄电池剩余容量测试仪就是根据上述蓄电池剩余容量放电和充电过程的数学模型研制的。 2. 蓄电池剩余容量在线

9、测试仪的研制方案 从数学模型可以看出几个主要物理量对SOC的影响较大： 1）不同充放电率I/Ah           2）不同初始电压Ur       3）不同温度T 温度主要影响蓄电池的额定容量。 温度对额定容量的影响：Ca=Cr×1+K（T-25） Ca：任何温度下的蓄电池实际容量； Cr：蓄电池在25下的额定容量； T：实际温度； K：温度系数，温度每变化1，SOC变化约为0.5%0.8%。 温度对额定容量的影响表现在对

10、充放电率I/Ah的影响，温度降低或增加20，充放电率增大或减小10% 16%。一般蓄电池的工作温度最多在25±10 变化，因此，充放电率也只在 ±（5% 8%）变化。对SOC的影响就更小。 可以看出温度对SOC的影响比起I/Ah、Ur要小得多。 从蓄电池端电压与SOC之间关系的数学模型分析，SOC除了与端电压有关以外，还与蓄电池充放电率、初始电动势、温度等物理量有关，因此在设计蓄电池容量在线测试仪时，必须考虑到这些物理量的输入方式。综合考虑上述因素，拟采用下述方案： 1）用嵌入式微处理器芯片作为仪器的核心器件，由它按蓄电池端电压与SOC之间关系数学模型完成主要计算。 2）有

11、两个模拟量需实测：蓄电池电压、环境温度。为降低成本，拟采用串行数据输出的 A/D转换芯片。 3）蓄电池充放电率、初始电动势拟采用小键盘输入。 4）采用128×64LCD液晶显示器显示输入量及计算出的SOC。 5）为便于携带供电方式拟采用2种方式：电池或15V稳压电源 。 3. 蓄电池剩余容量在线测试仪的实现 按上述方案设计的蓄电池容量在线测试仪功能框图如图1所示。 电路说明： 1）微处理器采用AT89S52单片机，此单片机低成本，低功耗，高性能，易扩充，并有8K程序存储器，SOC的计算及键盘输入、LCD显示等控制都由此芯片完成。 2）温度检测采用了DALLAS的DS18B20。此芯片

12、具有温度传感器和A/D转换功能，转换后的串行数据通过one _wire(一线)与CPU通讯。测量温度范围从-55 到+125 ，芯片转换精度为0.0625。 3）端电压采样采用电压转频率芯片LM331，调到转换精度为1/1 000V，即调成1V电压转换为1 000Hz频率。 4）电源模块采用一个插入开关，当没有外部电源时由电池供电，当有外部电源接入时，断开电池连接，由15V直流适配器给电路供电。 本测试仪所用数学模型已经广东番禺恒达蓄电池总厂产品测试，误差不超过10%。三. 测试方式比较1. 离线式放电法技术分析（1）将其中一组电池脱离系统后，一旦市电中断，系统备用电池供电时间明显缩短，何况此

13、时尚不清楚另一组在线电池是否存在质量问题，此放电方式事故风险性高。如要用此方式放电，建议提前启用发动机组，并确保发电机组、开关电源等设备能正常运行，保证安全；（2）离线放电结束后的电池组与在线电池组间存在较大电压差，若操作不当将引起开关电源和在线电池组对离线放电后的电池组进行大电流充电，产生巨大火花，易发生安全事故。用此方式放电，需要配备一台整组智能充电机，对该离线电池组先充电恢复后再并联回系统，以解决打火花问题，这样将使系统更长时间处于单组供电状态，事故风险高。另通过调整整流器输出与被放电的电池组电压相等后进行恢复连接。上述操作一定要谨慎操作；（3）此放电方式操作时既要脱离电池组的正极，又要

14、脱离电池组的负极，尤其是脱离电池组负极时需要特别小心，操作不当引起负极短路，将造成系统供电中断，导致通信事故的发生；（4）此方式是将电池通过假负载以热量形式消耗，浪费电能，影响机房设备运行环境，需要维护人员时刻守护以免高温引发事故。2. 在线评估式放电法技术分析（1）调整整流器输出电压至保护低压值（如46V），使所有后备电池组直接对实际负荷进行放电至整流器输出电压保护设置值。由于现网系统设备绝大多数电池配置后备供电时间为14h，放电电流大，应考虑电池组至设备供电回路压降及设备低压工作门限，以及保证系统供电安全，在线评估式放电其调整整流器输出电压不允许过低（如46V），放电深度有限，对实际负载的

15、放电时间掌握比较困难，评估电池容量难以准确，对电池性能测试有不确定因素存在，从而对保持电池组活性这一放电测试目的难以达到维护预期工作效果；（2）如果两组电池都有失容或欠容、落后等质量问题，当其放电至整流器输出保护值的时间，不易被维护人员及时发现，此时可能后备电池容量所剩无几，存在高风险。在此情况下，此放电方式比离线放电方式安全性更低；（3）由于放电深度有限，对保持电池组的活性这一放电测试的目的无法达到，更为关键的是在全容量放电的实践中我们经常发现有些电池组在放电前期表现正常，但到中后期，有些落后电池才开始逐步暴露出来。这一部分落后单体，于此放电方式的深度不够而没有被发现。所以我们称此放电方式为

16、在线评估式，它只能大致评估电池组性能，或检测此电池组可以放电至此保护电压的时间长短，而无法进一步检查除此时间外究竟还能放电多长时间；（4）组间电池放电电流不均衡。各组电池将根据自身情况自然分摊系统的负荷电流来放电，落后电池组，内阻大，分摊电流小，而健康电池组，内阻低，分摊电流大，造成某些落后电池因放电电流不够大而无法暴露出来的现象，达不到我们进行放电性能质量检测目的。综上所述，在中心机房蓄电池必须定期进行容量测试的需求下，目前两种容量测试方法，各有特点又各有弊端，离线放电方法虽然可以达到蓄电池容量测试的目的，但是工作量太大，系统安全性偏低，而在线评估式放电方法虽然工作量比较小，但是系统安全性低

17、，达不到蓄电池容量测试的目的，潜在的安全隐患大。因此，当前的蓄电池容量测试方法必须改革，现将引入一种全新的、科学的容量测试技术全在线放电技术，以使电池放电容量测试达到预期维护质量检测效果，电池放电维护操作简便安全，提高了维护工作效率易得到有效的落实。3. 全在线放电技术分析全在线放电技术指被测电池组通过串接电池组全在线放电测试设备提升在线供电电压，以自动稳流或恒功率控制输出，使被测电池组对在线负载设备进行供电，实现被测电池组恒电流放电测试或恒功率放电测试，达到安全节能维护效果。系统技术原理图如图1所示。图1蓄电池全在线放电设备工作原理图放电技术原理如图2所示。被测电池组的全在线放电原理分析：如

18、图2所示，在被测电池组的正极串联电池组全在线放电设备，使被测组电池所在支路的电压略高出整流器输出或另一组电池的电压，这样就能使该组电池对实际负荷进行放电，在其放电过程被测电池组电压随着放电时间的变化（延长）而变化（逐渐下降），通过全在线放电设备进行自动电压补偿调整，保证被测电池组始终保持恒定的电流或恒定的功率进行放电，当电池组放电终止电压、容量、时间和单体电压达到我们预期所设置的放电门限值时，完成放电测试。实现该电池组在线放电测试目的和预期维护效果。全在线放电工作原理，如图3所示。图2全在线放电原理图3在线放电工作原理图 3.1. 在线放电结束后，自动完成在线充电恢复等电位连接被测电池组放电测

19、试结束后，电池组全在线放电设备自动进入充电程序，引导在线开关电源的整流输出，经过全在线放电测试设备的充电、等电位控制保护电路自动对被测放电的电池组进行限流充电，自动完成在线等电位连接，根据全在线放电测试设备系统提示操作要求，恢复系统的正常连接后，全在线放电测试设备退出服务，完成结束蓄电池组全在线放电、充电恢复等电位正常连接全过程。另一组电池以同样的方式进行在线放电容量测试。如图4所示。图4在线充电自动控制等电位连接工作原理图3.2. 在线放电“无缝连接”技术为确保电池放电测试的安全性，电池组全在线放电设备在串联接入电池组正极时要求以无缝连接方式，如图5所示。图5在线放电容量测试接线图电池组在线

20、放电测试无缝连接操作，“设备”接入应遵守“先接三，后拆一”，即为先接电源线L1、L2、L3，后拆原电源连接线L5；“设备”成测试退出服务，应遵守“先接一，后拆三”的原则，即为先接原电源连接线L5，后拆电源线L1、L2、L3。4. 在线放电技术与当前放电技术对比分析4.1. 与离线放电技术对比分析（1）放电过程最大限度保证电池组备用电能，最大限度降低放电测试造成系统瘫痪的风险；（2）电池组放电后能自动进行充电恢复，克服离线放电后等电位接入系统操作难度大及潜在安全等问题；（3）电池组存储的电能最大限度地得到利用，克服了离线放电能源的浪费，基本没有发热现象，不存在高温的危险，不影响机房环境温度；（4

21、）仅在电池组的正极进行无缝连接操作，避免了离线放电因操作不当引起的短路风险；（5）该设备一旦串联接入电池组的正极，设定相关放电参数后，所有放电充电工作自动完成，维护人员可以进行其它工作，降低工作强度，提高工作效率。4.2. 与在线评估式放电技术对比分析（1）全在线放电方式能够达到深度放电保持电池活性及检测落后电池的放电测试目的，充分把握电池组剩余容量和后备供电时间；（2）在放电过程中最大限度地保证电池组备用电能，最大限度地降低了容量测试造成系统瘫痪的风险；（3）全在线放电方式能够实现各组电池以相同电流进行分组放电，任何落后单体电池都能暴露出来，克服了在线评估式放电的局限性；（4）全在线放电设备

22、一旦串联接入电池组的正极，设定相关放电参数后，所有放电充电工作自动完成，维护人员可以进行其它工作，降低工作强度，提高工作效率。四. 测试方法1. 半荷内阻法     目前蓄电池安全检测技术正面临这样的困境：容量放电试验对电池有损,耗时费力且含有令人不安的运行风险,不可多用;内阻测试的判别准确率欠佳而难以完全信赖。能否寻找到一种能把容量放电法的高准确率和内阻法的方便安全集中于一身的新方法？这就是介于二者之间、又兼具二者之长的“半荷内阻法”。本文着重讨论半荷内阻法的理论依据和实用关键。 1.1.  电池组放电的电压曲线族   &

23、#160; 单体电池的放电曲线作为电池最重要的性能指标早已为人熟知,放电曲线直观展现了其电池在一定负载电流下其端电压的变化规律,在忽略细节后可表述为： 1）终止电压前的平稳缓慢下降; 2）终止电压后的快速下跌;  3）终止电压为上述二线段之间的拐点,可以用二折线法粗略表现一条电压曲线; 4）电压拐点前的放电时间和负载电流的乘积被定义为电池的实际容量。 电池最终都以串联方式成组使用,把串联电池组各电池的放电曲线绘制在同一坐标中,就能构成一族曲线,简称“电压曲线族”。图1是用二折线法绘制的电压曲线族。 蓄电池组在运行中电压曲线族不断变化,其变化规律为：投运初期各电池一致性较好,

24、曲线族分布相对集中,长期运行中单体差异逐渐加大,曲线族分布也逐渐向左移动。图1中电压拐点的水平分布表征了电池性能的好坏,电压拐点靠左的电池应予关注或维护,按照规范,在维护后电压拐点仍落后于80标称拐点的电池应予更换。 需要说明的是：以上电压曲线族的概念只适合理论分析,在维护实践上价值不大,因为本来只需准确监测到达电压拐点的时间就足以解决一切问题,没有逐点测绘整族曲线的必要。 1.2. 蓄电池组放电的内阻曲线族 等效内阻是电池两极柱上可直接测量的真实物理量,为讨论方便忽略不同内阻测量仪的差别,那么以绘制电压曲线族的同样方法,也可绘制出蓄电池组放电下的内阻曲线族。 放电状态下的内阻变化规律不象电压

25、变化规律那样为人熟悉,但经大量研究后公认有以下特点：        1）50荷电率以上变化很小;        2）50荷电率以下快速上升;        3）放电终止前,内阻值可能上升为初始内阻值的24倍;        4）50荷电率为内阻曲线的拐点,简称内阻拐点,可以用二折线法粗略表现一条内阻曲线。    这里所述的“荷电率”,定义

26、为单体实存电量与本电池真实容量之比,属单体变量;另外,定义实放电量与标称容量之比为“标称放电深度”,属全组变量。需注意因二者的定义不同,其数值变化方向相反。这样在放电过程中,全蓄电池组执行了一个统一的标称放电深度,其数值越放越大,而执行中各单体电池的荷电率却各不相同,其数值越放越小。    为了清晰地表达内阻曲线族的变化规律,特地选择了一个有代表意义的蓄电池组模型：模型组由3节标称容量1000A·h的蓄电池组成,以实际容量1000、800、600A·h分别代表电池组内好、中、坏3种典型类型,其浮充内阻分别为0.20m、0.20m、0.27m。请注意100

27、0A·h与800A·h的内阻都等于0.20m,这一数值既肯定获有实测数据的支持,也在刻意提示满电下的内阻分布确实存在与“内阻大容量小”相关性规律不符的例外。再假设放电终止内阻为初始内阻的3倍,图2是按以上参数用二折线法绘制的内阻曲线族。        图2中每条曲线都以100真实荷电率和初始内阻值为起点,以0真实荷电率和初始内阻的3倍值为终点,而以50真实荷电率和初始内阻的略大值为拐点。实测经验表明,用二折线法绘制的内阻变化曲线与真实数据之间的误差,不会影响本文的分析结果。    &#

28、160;   内阻曲线族的实用意义比电压曲线族大很多,实用意义大的关键在于具有实时可比性：因为在电压曲线族中,有比较意义的是各电池到达终止电压的时间,在图1中表现为拐点之间的水平间距。而在内阻曲线族中,有比较意义的是不同放电深度下的不同内阻值,在图2中表现为某水平值下曲线之间的垂直间距。在测量方法上,前者必须连续不间断地采样计时,而后者只需在指定时间一次采样,特别是后者在不同时间下的各组采样值具有非常有用的比对价值,即实时可比性。        如果说内阻曲线族还不够直观,可以借鉴图象处理的思路,引入内阻分布“反差

29、”的概念,反差是一种可计算的单一实时变量。反差概念的引入,将赋予内阻曲线族比电压曲线族更为积极的学术意义和实用价值。 1.3. 电池组放电下内阻分布的反差曲线    在图象处理中,反差大意味着图象“鲜明”,反差小意味着图象“混沌”。同样,就电池检测的目的而言,反差大意味着内阻分布“鲜明”,这必然意味着判别准确率的提高。        可以把内阻反差Fcr定义为：        Fcr=(RmaxRmin)/Rmin（1）   

30、     式中：Rmax为内阻分布中的最大值;       Rmin为内阻分布中的最小值。       那么根据图2粗略计算从0标称放电深度到60标称放电深度的各点反差数值列于表1,图3为依据表1数据绘出的Fcr单一曲线,其中表1数据和图3曲线都停止于60标称放电深度,原因是模型组中的600A·h单体已达过放点,其真实荷电率已经等于0。 表1    Fcr逐点计算表   

31、60;    图3所示的单一Fcr曲线比内阻曲线族更加直观的反映了放电深度与内阻反差之间的对应规律：当放电深度超过最小真实容量单体的50（本例已放300A·h）以后,Fcr开始迅速增大,并通常在标称放电深度的50（已放500A·h）处达到最大值。       另外从图3可以看出,若以足够判别使用的Fcr值（例如Fcr=1.0）为边界条件,放电深度的满足范围大大放松,这意味着完全不需要精 确控制放电深度;换句话说,在达到一定反差之后,放电深度的大小只影响反差,而不降低准确率。  

32、;      最后从图3还可以看出,增强反差后的Fcr所包括的所有放电深度仍离过放区很远,这是半荷法比容量放电法安全的科学依据。 1.4. 半荷内阻法及判别准确率        单从放电内阻曲线族出发,至少可以设计出2种新的测试方法。 1.4.1.  第一种可称为“内阻计时法”        该方法的思路和容量放电法类似,只不过由对电压拐点（即终止电压）的监测计时,改为对内阻拐点的监测计时,由于电压拐点对内阻拐点存在

33、2倍的依存关系,把内阻拐点的计时值简单乘以2,就可方便地推算出真实容量。        该方法的优点是：比容量放电法安全,比浮充内阻法准确。       该方法的缺点是：        1）内阻监测点不易把握,而监测点不准依然会造成误差过大甚至误判;        2）仍然需要对内阻拐点进行连续监测和计时,也就是说,需要研制专门的内阻监测计时仪器。  

34、60;     以上2个缺点都需要在获取大量实测数据后方可完善,本文不再深入讨论。 1.4.2. “半荷内阻法”        该方法的思路是：在电池组粗略地执行半荷放电后,对各单体电池作普通巡采,再依内阻大小作出判断。        从测试流程来看,半荷内阻法仅仅增加了半荷放电,其他操作方法和要求与浮充内阻法完全相同。以下分析是哪些因素提高了半荷内阻法的判别准确率：      

35、0; 1）加大了内阻反差增强后的反差使检测更加容易,也使判读更加可信。可形象地把半荷放电理解为胶片照相技术中的“显影”过程,显然,充分显影的照片图象最清晰。        2）对内阻有效排序反差小还不算致命弱点,适当提高仪表分辨能力就可以克服;但浮充内阻客观存在的部分无序性,是造成混乱和误判的根源,这种缺陷无法靠简单提高仪表的分辨能力来弥补。半荷放电使内阻值正确排序,有效纠正浮充内阻的初期无序性,是提高判别准确率的关键因素。        3）与真实容量紧密挂钩蓄电池维护专业

36、最最关心的是蓄电池的真实容量,越能反映真实容量的方法越可靠。浮充内阻与真实容量的关系可概括为：“高度相关但确有例外”,其判别准确率欠佳很容易理解。而内阻拐点客观存在于真实容量的50点,已经最大限度地与真实容量挂钩。应该说,正确排序及与真实容量的直接挂钩这二点成为半荷内阻法最诱人之处。        4）减小非化学内阻的影响电池等效内阻是所有电化学内阻和非化学内阻的等效总和,非化学内阻也携带有重要信息（如内汇流条融焊缺陷、或腐蚀裂缝等）,却和真实容量无关,由此对正确提取容量信息造成很大困难,这也是浮充内阻形成初期无序性的主要根源。在现有

37、仪表尚不能分离不同内阻的客观前提下,半荷放电可显著改善电化学内阻对非化学内阻的比例关系,这点对提高判别准确率有重要贡献。        半荷内阻法在本质上仅仅是把测试工作点由浮充满荷点改变到半荷点,这个在选择工作点上的一小步改进,带来以上4点很实惠的指标改善,最终获得判别准确率上的一大飞跃。        从国内外大量实测数据看,无论采用哪种原理或哪家仪表,浮充内阻法的单体准确率普遍停留在90左右难以突破,加上单节误判须算全组误判的行业判则（木桶判则）,整组准确率一般也就在8

38、0左右,考虑到后备蓄电池组的重要性,这样的准确率难以信赖应属正常合理。        半荷内阻法恰倒好处地纠正了这约20的误判,实现了长期苦苦追寻的、达到或超过容量放电法准确率的目标。以上结论已有初步实验验证。 1.5. 半荷内阻法实用关键问题探讨        半荷内阻法进入实用以前,明显还有许多实际问题需要探讨解决。 1.5.1. 适用约束条件        半荷内阻法很自然的要求以下约束条件：  &#

39、160;     1）正常而规范运行的蓄电池组,包括符合安装规范和维护规范;        2）保证放电起始点为充分浮充以确保满电;        3）内阻仪表具有够用的测量精度和良好的在线抗干扰能力;        4）有另外的辅助监测手段（如电压）以预防单体过放。        这些约束条件完全与正常的维护规范相一

40、致,并无特别之处。强调约束条件无非是想提请注意：任何超越以上条件的测试,都可能超越半荷法的适用范围,产生与本文不符的未知结果。 1.5.2. 放电深度的选择        可以追求最大反差（准确率最可信）的目标,也可以追求最小放电深度（测试时间最短）的目标,关键是满足维护需求和不断总结完善。刻意追求放电深度为零,甚至固执到认为只要放电就没有新价值的思维方式都极不科学。        在此,需要理性地思考“与真实容量挂钩”的真正含义：在真实容量为未知数的条件下,不放电等于不挂钩

41、,也就是说必须靠多少放出一些电量才能构建二者的函数关系,在计算公式中才能出现真实容量的数学因子。        更不应该以半荷法离不开放电的理由而忽视与容量放电法的本质区别：容量放电法在理论上要求把至少一节蓄电池放电到过放临界点,已经有损蓄电池组安全;而半荷放电法在理论上总是远离过放危险区,还可保留部分电量以备不时之需。 1.5.3. 放电深度的执行        放电电流可大可小,可使用专用负载,也可切断交流供电使用真实负载;电量计算可以人工计时,也可采用电压自动监测;总之

42、,对放电计量没有精度要求,条件极为宽松。在验证实验中,曾以监测单体蓄电池电压小于2.00V来把握放电深度,准确率已很理想。特别需要指出一点：最佳方案应该是结合原有规程中的“定期维护性放电制度”,不增加工作量,也无须修订规程,只需附带补充一项测试,就可以收到事半功倍的效果。 1.5.4. 仪表的精度要求        反差的加大降低了对仪表精度的要求,这就是说现有仪表完全够用;一台能在浮充内阻测试中表现较好的内阻测试仪（注意：仅仅判别准确率欠佳绝非仪表本身之过）,应该足以胜任半荷内阻法的测试任务,无论它原来是哪种原理或哪家品牌。 1.6

43、. 从蓄电池组的压阻曲线族看蓄电池检测技术的演变        蓄电池组放电的内阻曲线族为我们补充了以前所不熟悉的一部分知识,新知识可以带来新技术的突破,以后的电池说明书应该增加内阻曲线的数据和图表。如果把图1的电压曲线族和图2的内阻曲线族合二而一,组成新的“压阻曲线族”如图4所示,则会带来关于电池的更完整的知识。                    &#

44、160;       有趣的是还能够从压阻曲线族上看到电池测试技术的演变轨迹,由此也可加深对半荷内阻法本质的理解：        1）最古老的开路电压法,位于电压曲线的左起点,必须加附测酸配合;        2）因密封电池无法测酸而不得不器重的容量放电法,位于电压曲线的右半部,必须连续监测;        3）试图缩短测试时间的快速容量测试法,位于电压曲线

45、的左半部,意在通过大电流大斜率,外延推算电压拐点,终因电压反差小、缺少准确度而流产;        4）另辟蹊径的浮充内阻法,位于内阻曲线的左起点,方便实用,却因初始内阻反差小、且无法克服10的误判而始终难以完全信赖;        5）本文的半荷内阻法,恰当占据了内阻曲线族中部的宽广区域,直观展现其数据反差大,准确率高,适应范围宽,操作安全等优点。 1.7. 结语        内阻数据是蓄电池非常宝贵的一项信息资

46、源。密封蓄电池可看作物理学上的黑匣子,黑匣子上的两极柱仅仅能提供电压和内阻两个独立的电学物理参数,其中内阻比电压更加反映蓄电池内部的真实状况,这样宝贵的资源却至今迟迟未能得到合理的开发和利用。半荷内阻法对此作了大胆尝试,其核心是以主动放出部分电量为代价,换取内阻反差的“拉开和排序”,以获得满意的判别准确率,希望本文的论题能为蓄电池安全检测开辟一条新的学术思路有所助益。2. 内阻法蓄电池是一个复杂的电化学系统，它在不同负载条件或不同环境温度下运行时，实际可供释放的剩余容量不同；而且随着蓄电池使用时间增加，其容量也将下降。通常是根据蓄电池的电解液密度来估算剩余容量的，该方法有很大局限性：在蓄电池使

47、用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，难以准确推算出剩余容量；同时，这种方法也难以适应目前广泛应用的VRLA蓄电池的在线检测。近些年常用的几种蓄电池剩余容量检测方法之中，对在线使用的蓄电池来说，内阻法对系统产生的影响最小，并可以在蓄电池整个使用期内准确测量，因此，内阻法被视为一种比较理想的方法。但在高噪声情况下却发现，实际所测得的蓄电池剩余容量精度不尽人意，因此，对高噪声情况下蓄电池剩余容量在线检测方法的改进势在必行。2.1. 内阻法预测剩余容量的实施方案大量研究结果表明，蓄电池内阻与荷电程度之间有较好的相关性12。美国GNB公司曾对容量2001000A·h，电池组电压18360V的近5

48、00个VRLA蓄电池进行过测试，实验结果表明，蓄电池内阻与容量的相关性非常好，相关系数可以达到88。随着蓄电池充电过程的进行，内阻逐步减小；随着放电过程的进行，内阻逐步增大。另外，随着蓄电池老化，其剩余容量随之下降，内阻也逐渐增大。蓄电池内阻与剩余容量的典型关系曲线如图1所示。    蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差24倍，变化率远远大于蓄电池端电压变化率（约为3040），因此，通过测量蓄电池内阻可以比较准确地预测其剩余容量。另外，对于在线使用的蓄电池来说，内阻法还有一个突出优点是对系统影响最小，可以在蓄电池整个使用期内准确测量。因此，不难看

49、出内阻法最适合于VRLA蓄电池剩余容量的在线测量。内阻法预测剩余容量的具体实施方案是：首先，将蓄电池充满电（以2V蓄电池为例，充电至2.23V，浮充电流至10mA），然后，以0.1C的放电率使蓄电池放电，记录下放电过程中内阻与剩余容量的大小。当蓄电池放电完毕（2V蓄电池放电至1.80V）便可获得完整的放电曲线，即剩余容量与蓄电池内阻之间的对应关系。将此曲线存入蓄电池监控系统的FLASHROM中，在以后测试同型号、同规格的蓄电池时，处理器根据在线测试得到的内阻值，通过查表计算，得出其剩余容量。因此，这一方法的关键在于如何在线测得蓄电池内阻。蓄电池内阻测量原理如下：在蓄电池两端施加一恒定交流音频电

50、流源Is，然后，检测其端电压Vo以及Is和Vo两者之间的夹角。显然，蓄电池的交流阻抗为Z=Vo/Is，而R=Z×cos即为我们所要获取的蓄电池内阻值。其具体实现方案如图2所示。图中300Hz信号发生电路由14位二进制串行计数/分频器CD4060以及带通滤波电路组成，具体电路如图3所示。2.2. 高噪声情况下在线测量方法的改进采用上述方法测量蓄电池剩余容量具有较高精度，离线测量时误差优于7。然而在实时的在线测量中，却发现实际所测得的蓄电池剩余容量精度不尽人意，有时误差甚至超过10。是什么原因引起这种误差呢？为此，我们对蓄电池的几种工作状态，即供电正常情况下的浮充状态，市电故障情况下的放

51、电状态以及逆变器故障时的状态分别进行了测试，发现在逆变器故障情况下，可以达到与离线测试时近似的精度。至此，可以断定精度降低的原因是由逆变器反馈噪声所引起的，为此，我们尝试采用低通滤波器（截止频率为1kHz）的方法来提高测试精度，效果并不理想，可见逆变器的反馈噪声主要集中于低于1kHz范围，因此，在硬件上难以实现。考虑到事先已经测试得到n个标准内阻值，因此，可以在软件上采用最小二乘拟合的办法进行数据修正。所谓最小二乘问题，就是要找出一个待定函数f(x)，使得f(x)与标准值y之差的平方和最小，即f(x)的求解过程如下3：首先，假定f(x)为一个n次多项式，即然后取出已经测试得到的n个标准内阻值，

52、设为y1，y2，yn；从而式（1）可以化简为根据微积分中的极值原理，欲使式（3）最小，必须使其对每一个系数的偏导数为0，即：该式中有n1个方程式，因此，可以求解出n1个未知数。将式（3）代入式（4）并化简可得最后将测试过程中实测得到的n个阻值x1，xn与n个标准内阻值y1，y2，yn代入式（5），就可以确定出a0，a1，an共n1个系数，从而可以得到f(x)。2.3. 实验结果以蓄电池参数和交、直流电压为例给出系统测试结果。测试用标准表为ESCORT3155A；测试用蓄电池为南都公司GFM200，并将其在额定负载情况下以0.1C放电率恒流放电所得到的容量作为标准容量；测试环境温度均为18。蓄电

53、池剩余容量测试结果如表1所列。表1 蓄电池剩余容量测试结果标准容量/A·h 监控单元实测容量/A·h 绝对误差/A·h 相对误差/ 200.0 184.9 15.1 7.6 193.6 180.7 12.9 6.7 176.4 188.9 12.5 7.1 165.7 153.2 12.5 7.5 135.2 142.8 7.6 5.6 87.76 83.28 4.48 5.1 由实验结果可以看出，经过最小二乘法拟和以后，测量结果基本接近离线测量结果。其精度完全可以满足通信电源和空调集中监控系统技术要求中的规定。五. 测试设备1. 放电部分 最大电压：60V(TO

54、RKEL820)                290V(TORKEL840)                480V(TORKEL860)最大电流：270A(TORKEL820)          

55、      110A(TORKEL840/860)最大功率：15KW放电方式：恒电流，恒功率，恒阻抗，电流或电压曲线图电流设置：0-270.0A(2999.9A)(TORKEL820)0-110.0A(2999.9A)(TORKEL840/860)功率设置：015.00KW(299.99KW)稳定精度：±(0.5%读数+0.5A)2. 测计部分电流测量：0.02999A基本精度：±(0.5%读数+0.2A)分 辨 率：0.1A电压测量：0-60V基本精度：±(0.5%读数+0.2A)分 辨 率：0.002V时间测量

56、：基本精度±(0.1%读数+1个字)配置参考表：TORKEL820系统最终电压恒定电流恒定功率24V(12单元)1.80V/单元(21.6V)0-270A0-5.8KW1.75V/单元(21.0V)0-270A0-5.67KW1.67V/单元(19.2V)0-224A0-4.68KW48V(24单元)1.80V/单元(43.2V)0-270A0-11.6KW1.75V/单元(42.0V)0-270A0-11.3KW1.67V/单元(38.4V)0-261A0-10.0KWTORKEL840,860系统最终电压恒定电流恒定功率110V(54单元)1.80V/单元(97.2V)0-110

57、A0-10.7KW1.75V/单元(94.5V)0-110A0-10.4KW1.67V/单元(86.4V)0-110A0-9.5KW220V(108单元)1.80V/单元(194V)0-55A0-10.7KW1.75V/单元(189V)0-55A0-10.4KW1.67V/单元(173V)0-51.7A0-8.94KWUPS(180单元)1.70V/单元(306V)0-38A0-15KW1.60V/单元(288V)0-38A0-15KWUPS(204单元)1.80V/单元(367V)0-34A0-15KW1.60V/单元(326V)0-34A0-15KW如需更大电流可参考以下配置TORKEL8

58、20与额外负载TXL830,850系统24V系统48V系统最大恒流(A)820个数830个数最大恒流(A)820个数850个数502115031173412737129661397113119814120614TORKEL840,860与额外负载TXL830,850,870系统110V系统220V系统最大恒流(A)840/860个数870个数最大恒流(A)840/860个数870个数1881194112661213312344131882342214227245322426624610253062568826345      

59、0;   26766273842784528423289232946329蓄电池结构2.1 蓄电池结构探讨判断蓄电池寿命状况的最佳方法是带负载测试及容量测试，这需要较长时间，无法即测即得，必须采用既方便又可靠的方法来建立电池容量与传导状况关系。为寻求简易的辅助测试手段，我们首先从阀控蓄电池结构及原理的研究开始。过去人们对蓄电池内部参数、传导途径和容量关系理解为：内部电路由电阻、电感和电容组成。电感影响非常小（仅有0.050.2 H），而电容又出奇大，每100 Ah蓄电池电容可达1.7 F，但又无证据证明电容与电池容量的关系，故而认为阻抗（电化学电阻）同时包含了电容和电感的因

60、素。因此采用直流到几千赫兹的交流对电池进行阻抗测试，但结果都不理想。  爱博公司对蓄电池的内阻进行了深入研究，获得专利U.S.Patent N 5,744,962，即真正的蓄电池等效内阻由其金属电阻和电化学电阻组成，内阻的增加导致蓄电池实际容量的减小。而通过对内阻的测试可评定电池的优劣，来估算蓄电池的剩余容量。蓄电池内阻的增加导致性能退化，蓄电池容量与内阻的曲线关系（并非直线关系，而是非线性函数关系）如图1所示。直线之所以不能描述蓄电池的内阻与容量关系，是因为蓄电池放电过程中金属电阻和电化学电阻显示出不同特性。由典型100%容量蓄电池的放电曲线可以看出内阻增加对蓄电池容量有

61、着负面的影响，蓄电池内阻的功耗为：I2×R内。这部分能量没有得到真正的利用，造成了蓄电池实际容量的减少。    在放电过程中蓄电池容量的减少与电池内部金属电阻、电化学电阻变化的依赖关系是不同的。蓄电池的金属内阻包括电池的极柱、内部的汇流排、板栅及板栅与涂膏间的电阻。报废电池的反常内阻通常是由电池的极柱、内部的汇流排及板栅的化学腐蚀、焊接及铸铅质量的低劣造成，这用Alber蓄电池测试产品能够检测出来。涂层、电解质和隔离器组成了蓄电池内阻中的电化学部分。蓄电池长期使用造成活性物质减少、涂层老化，充放电时电解液比重的变化，以及隔离器成份或其表面的化学构成的改变，阀控电池

62、电解液的干涸，都使电化学电阻增加。2.2 蓄电池内阻测量方法的原理当前的测量仪器多采用的是交流注入或瞬间负载测试（直流测量）两种方法。使用交流注入的仪器（如测量阻抗或电导的仪表），在测量时会对电池施加一个交流的测试信号，然后再测出相应的电压和电流。阻抗的读数VI会随频率而变化。采用交流方式的仪器存在着易受充电器纹波电流和噪声源干扰的问题。有些设备不能在线（连接充电器和负载，并处于浮充状态）对蓄电池进行测试。使用频率为60 Hz和50 Hz的交流测试电流更不可取，因为这是充电器纹波和噪声源的主要频率。而在大型UPS电池上出现大于30 A RMS纹波电流的情况并不少见。Albercorp公司的专利U.S.Patent N 5,744,962中蓄电池真实等效内阻的测试见图2。在蓄电池组瞬间大电流对负载放电（70 A左右）产生电压降后再断开负载时其瞬间电压