歐姆測量法――固定型鉛酸蓄電池新的檢測手段

內(nèi)容提要

測量鉛酸蓄電池的歐姆電阻來檢測蓄電池的技術(shù)狀態(tài)，這種方法的運用越來越受到人們的歡迎。艾諾斯EnerSys公司根據(jù)內(nèi)阻儀制造商的建議，一直致力于自己生產(chǎn)的驗證蓄電池的商用測試設(shè)備，以及使用這些設(shè)備測得的數(shù)據(jù)。隨著時間的推移和實踐的檢驗，歐姆測量已經(jīng)向人們證明它可以預(yù)期蓄電池的壽命。但是，必須指出的是，在實際應(yīng)用中必須考慮到人工讀數(shù)所帶來的測量誤差，片面地使用這種讀數(shù)有時會導(dǎo)致錯誤的結(jié)論。

歐姆電阻的應(yīng)用，通過國際電工協(xié)會的刊物，電池生產(chǎn)商以及測試設(shè)備制造商，得到了很好的證明?？偠灾?，這些組織推薦根據(jù)蓄電池全壽命期內(nèi)阻值的變化趨勢來預(yù)測蓄電池的壽命。越來越多的蓄電池用戶向我們索取蓄電池內(nèi)阻參考值，作為保修或者是更換的依據(jù)。

基于市場的經(jīng)驗和客戶的需求，艾諾斯EnerSys完全支持這項技術(shù)的運用。針對消費者，產(chǎn)品，設(shè)備和一些具體的應(yīng)用案例，我們制定了一定的流程和操作程序。這些操作程序可以作為更換蓄電池的準則。然而，艾諾斯出版的蓄電池使用說明書和IEEE蓄電池維護標準中所列舉的常規(guī)的蓄電池維護規(guī)程將必須像以往一樣予以重視。

內(nèi)阻測試產(chǎn)生的背景

直到大約20年前，幾乎所有的固定式鉛酸蓄電池的容器都是由透明的材料做成的，而且都是電解質(zhì)富液式設(shè)計。電池購買者和和他們的維護技工有非常實用的工具來對蓄電池的健康狀況以及變化趨勢進行衡量，檢測和判斷，如電解液比重的測試儀，電解質(zhì)溫度的測試儀，單節(jié)浮充電壓測試儀，視覺觀察電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

20世紀80年代前中期，隨著閥控式密封鉛酸蓄電池的使用量越來越多，自從蓄電池的設(shè)計采用了不透明的容器和固定在凝膠或多孔隔膜的貧液式電解質(zhì)系統(tǒng)，維護技術(shù)員不能再使用上述工具。他們能夠使用的方法只有電壓測試和定期放電測試。加上早期的蓄電池設(shè)計存在壽命較短、先天的缺陷，突發(fā)性失效等問題，人們開始尋求針對閥控式密封鉛酸蓄電池的健康檢測工具。

各種儀器制造公司注意到了這一難題，并開始設(shè)計/制造/銷售這些測試設(shè)備，以確定蓄電池內(nèi)部電阻，如阻抗，電導(dǎo)和內(nèi)部阻力，用于評估閥控式密封鉛酸蓄電池的健康狀況。

此外，還必須注意到，追溯到20世紀90年代初EnerSys公司和那些先驅(qū)的蓄電池制造公司積累了大量的歐姆測量裝置經(jīng)驗。

內(nèi)阻的定義和測試方法

本文使用的信息、用語、釋義中來自美國電氣和電子工程師協(xié)會IEEE標準1187-1996。

歐姆測量值提供有關(guān)電池或電池組單元電路的連續(xù)性的信息。

蓄電池內(nèi)部電阻測量包含了若干因素，包括的內(nèi)容不僅限于物理連接電阻，電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性，和發(fā)生在極板的表面的電化學(xué)過程。對于6伏以上的多格的電池。格與格之間的連接還會對測試值產(chǎn)生額外的影響?？梢酝ㄟ^以下技術(shù)來測試蓄電池的內(nèi)阻：

a）阻抗測量可通過給電池施加一個已知頻率和振幅的電流信號，然后測量在單節(jié)或整組電池上的產(chǎn)生的交流壓降。交流電壓是由單節(jié)電池的正極和負極端子或者最小單元格測得。再用歐姆定律計算由此產(chǎn)生的阻抗，計算是由儀表自動完成的。

b）電導(dǎo)率可以通過給某節(jié)電池上施加一個的已知頻率和振幅的電壓，測試流過該電池上電流的變化值，電導(dǎo)便是在同一相位的交流分量和電壓幅值的比值。

c）電阻測量是給蓄電池施加一個負載，然后測量流經(jīng)電池上的各個階段的電壓和電流。歐姆值便是靠用電壓的變化率除以電流的變化率得到。

內(nèi)阻測試設(shè)備的可用性和標準化

至今為止，電池維護技術(shù)員有很多品牌的歐姆電阻測量設(shè)備可供選擇，然而這對于整個產(chǎn)業(yè)來說并不是一個利好消息。不幸的是，隨著市場的成長和競爭地加劇，并沒有針對此測試方法形成一個標準或者法規(guī)。有些廠商使用高頻，有些使用低頻，而還有一些使用多頻。由于這一原因，不僅同一節(jié)電池的阻抗和電導(dǎo)讀數(shù)不相兼容，而且不同廠家設(shè)備的阻抗讀數(shù)和電導(dǎo)讀數(shù)分別都不相兼容。使用較短時間放電數(shù)值和使用電壓和電流注入法測試數(shù)據(jù)也不相容。可以說，從標準化數(shù)據(jù)的角度上講，該行業(yè)的狀況是如此混亂。

內(nèi)阻測量的測試實施

在確定蓄電池容量的百分比或安時數(shù)時，歐姆電阻測量到底在什么地方不能取代長時間的深度放電？盡管許多人之前已經(jīng)做了大量了工作，也發(fā)表了很多相關(guān)主題的文章，但是目前還并沒有結(jié)論性的依據(jù)，關(guān)于判斷電池容量的方法也沒有得到業(yè)界一致認可和肯定。

使用歐姆讀數(shù)的正確方法應(yīng)該是，把它作為一種檢測蓄電池一段時間的變化趨勢的工具，用它來判斷在浮充狀態(tài)下的蓄電池組中落后蓄電池和可能存在故障的隱患。

當(dāng)電池組安裝并趨于穩(wěn)定之后，我們采集一組初始的歐姆電阻讀數(shù)。因為這個階段，在電荷的狀態(tài)，鉛的純度，化合效率，凝膠穩(wěn)定等狀態(tài)會發(fā)生很大的變化。相對于初始讀數(shù)來說，50％左右的變化是經(jīng)常發(fā)生的。如果有些電池超過這個數(shù)據(jù)，那么很有必要對電池組進行均衡性充電，可能的話，再做一次容量測試。

當(dāng)這組蓄電池運行了6個月之后，之前提到的區(qū)分將會趨于平緩。這時候應(yīng)該記錄另一組歐姆讀數(shù)，把它們作為的基準讀數(shù)。從這時開始，單節(jié)電池的讀數(shù)應(yīng)該在整組平均值30％的以內(nèi)。

這些個別電池基準讀數(shù)將作為今后趨勢分析的基準。在此后的使用中，每個季度測試一次歐姆讀數(shù)、記錄、并與基準讀數(shù)進行比較。如果一節(jié)電池歐姆讀數(shù)變化應(yīng)超過基準值的50％，需要對其進一步評估，以確定原因。單節(jié)電池核對性放電是這種評估的一部分。

內(nèi)阻測量的應(yīng)用效果

如前所述，歐姆讀數(shù)不能，也不應(yīng)該用來預(yù)測電池或電池組的實際容量。

電池趨勢模式中的歐姆讀數(shù)是用來查找落后電池的一個非常有效的工具。由于電解質(zhì)比重變化，電解液干涸，電池槽/蓋/密封處/排氣閥泄漏，凝膠惡化，隔離層惡化/短路，邊緣短路，或極板網(wǎng)柵腐蝕。這些類型的電池失效形式經(jīng)過時間的積累慢慢地將會使歐姆讀數(shù)逐漸產(chǎn)生偏離，就像上文提到的這些歐姆讀數(shù)會超過臨界值50％。

有一種蓄電池失效形式是用歐姆讀數(shù)趨勢分析不能及時地檢測出來。這種情況下歐姆測讀數(shù)是正常的，但這種電池會快速地或者突然失效，這種失效形式就是負極板腐蝕。

在很多的文獻資料當(dāng)中都有負極板腐蝕產(chǎn)生的原因，預(yù)防方法方面的介紹。在這里我們將不重復(fù)這些細節(jié)。下面對這個問題做簡短的說明，在鉛酸蓄電池中，某個特定的環(huán)境中，負極/極板/倒流排的侵入性腐蝕速度會非?？臁ＭǔＧ闆r下，匯流排有足夠的厚度和橫截面使得內(nèi)阻值正常，當(dāng)這種狀況持續(xù)到一定極限，電池腐蝕會進行很快直到開路。這種開路失效是一種非常嚴重的情況，它可以使整個蓄電池組的電力將會立即消失，用戶將會完全失去后備的蓄電池。在正常的維護規(guī)范中，歐姆讀數(shù)會在一個月或者更長時間的間隔內(nèi)測量一次，這樣的話一般來說它就不具有預(yù)測負極板失效的作用。

蓄電池廠家提供的歐姆讀數(shù)

經(jīng)越來越的客戶請求或者要求蓄電池廠家提供歐姆參考值。但廠家提供的數(shù)據(jù)往往是有問題的。它不精確的，甚至有時候誤導(dǎo)客戶。

蓄電池制造廠家采集的歐姆數(shù)據(jù)會有兩大用處：

（1）生產(chǎn)中的落后電池鑒別——這是一種合理而且有用的技術(shù)，它能夠幫助電池生產(chǎn)商篩選出問題電池。然而，如果電池生產(chǎn)商將放電測試作為電池生產(chǎn)工藝的一部分的話，那么測試歐姆數(shù)據(jù)就沒必要了，因為放電測試便會鑒別出落后電池。如果電池生產(chǎn)過程中沒有進行放電測試的話，那么發(fā)貨前的歐姆測量將會很重要。這些讀數(shù)是電池在開路的狀態(tài)下測得，一般來說，偏移均值50％的電池應(yīng)該進行進一步的放電測試評估。

（2）作為客戶使用基準讀數(shù)。工廠提供的歐姆數(shù)據(jù)的有用性是很值得懷疑的，可以說對電池用戶沒有太大意義。為使測試數(shù)據(jù)有價值，電池數(shù)據(jù)的采集必須在浮充狀態(tài)下進行。因為大多數(shù)的生產(chǎn)商在生產(chǎn)過程中，并沒有使電池在浮充狀態(tài)下持續(xù)足夠長的時間，長時間的浮充是蓄電池性能穩(wěn)定必須經(jīng)歷的一個過程。這有在這個階段結(jié)束后，測得的數(shù)據(jù)才有意義。

另外如果蓄電池制造廠給出的內(nèi)阻值是使用生產(chǎn)商ABC內(nèi)阻儀測得的，而客戶的維護技工所使用的內(nèi)阻值卻來自XYZ生產(chǎn)商的內(nèi)阻儀，那么生產(chǎn)商給出的數(shù)據(jù)對于客戶來說就沒有意義。由于業(yè)界可得到許多種測試儀器，因此蓄電池制造商使用每種儀器都測一遍內(nèi)阻是不現(xiàn)實的。如果蓄電池廠給出的是阻抗讀數(shù)，而蓄電池用戶使用的是電導(dǎo)和內(nèi)阻讀數(shù)，情況會更加糟糕。

甚至在某些極端的情況下，盡管蓄電池廠和客戶都使用的是由同一設(shè)備所測量的蓄電池內(nèi)阻讀數(shù)，蓄電池廠的內(nèi)阻讀數(shù)有時候卻與用戶測得的內(nèi)阻值有很大的差異，不能作為判斷電池長期趨勢的基準值，這是因為這些電池在裝運，儲存和前幾個月的浮充使用中內(nèi)阻值會發(fā)生變化。

富液式電池的歐姆讀數(shù)

上面的多數(shù)段落描述的事實都是針對閥控式密封式鉛酸蓄電池，但是基理也同樣適用于固定型富液式電池。正如背景段落中描述的那樣除了內(nèi)阻儀以外，還有好多可用的工具來評估富液式電池的健康狀態(tài)。而且前面所討論的局限性和有效性也基本相同。唯一的例外是關(guān)于負極部分的腐蝕的討論，因為在富液電池中電解液的高度保持在極板上方，負極部分的腐蝕是不會發(fā)生。

結(jié)論
1 歐姆測量不能作為放電測試的替代方法，而且也不能用來預(yù)測的容量絕對值

2 在現(xiàn)場維護時內(nèi)阻儀能夠作為判斷蓄電池運行一段時間內(nèi)變化趨勢的工具，用來檢測出落后電池，但有時需要對落后蓄電池進一步評估來確定落后的真實性。

3 在現(xiàn)場維護中，產(chǎn)商工廠的給出歐姆測量值會誤導(dǎo)客戶，用它作為基準值判斷蓄電池的變化趨勢意義不大。

4 在生產(chǎn)過程中沒有進行放電核容測試的蓄電池產(chǎn)商可以使用歐姆測量讀數(shù)檢驗落后電池。

5通過觀察電解液的沉淀物的數(shù)量和顏色是富液式電池測試的首選，除此以外，還有其他可用來檢測富液式電池的工具，包括電解液比重，液面和溫度的測試儀器。對于富液式電池來說，歐姆測量還是有些用的，故而可作為測量時的輔助性工具。

6 為了確保測試結(jié)果的精確和一致性，測量歐姆讀數(shù)應(yīng)該使用同一種的測試設(shè)備，不同的測試設(shè)備測得數(shù)值沒有可比性，而且在許多情況下，為了恢復(fù)將來的趨勢分析新的基準值必須重新測試內(nèi)阻值。

7 由于歐姆讀數(shù)很大程度上取決于測試點和測試時測試電纜的相對位置，每次測試時要保持測試條件前后一致。

8 EnerSys可按客戶所要求的測試條件提供內(nèi)阻參考值。

美國ENERSYS電池有限公司

深圳市派司德科技有限公司編譯

于2003年發(fā)表，2009年編譯