蓄電池在線內(nèi)阻在直流電源系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)技術(shù)及運(yùn)用

文獻(xiàn)[4]研究中將Warburg阻抗表示為一個(gè)電阻和電容串聯(lián)組成的阻抗ZW。

式中 λ――Warburg系數(shù)，表示反應(yīng)物和生成物的擴(kuò)散傳質(zhì)特性；ω――角頻率

電池的阻抗包括歐姆電阻和正負(fù)極阻抗：

Zcell = Zp + Zn + RHF （2）

電池阻抗是一個(gè)復(fù)阻抗，在其它條件不變的情況下，與測(cè)試頻率有關(guān)。

通常情況的內(nèi)阻是指某一固定頻率下的內(nèi)阻值，對(duì)于一般的VRLA蓄電池，多數(shù)采用低于100Hz的頻率，在實(shí)際使用中常把復(fù)阻抗的模稱(chēng)為內(nèi)阻。

4 內(nèi)阻在線測(cè)量方法

備用場(chǎng)合使用的VRLA電池一般容量很大，在幾十Ah到數(shù)千Ah，電池的內(nèi)阻值很小。由于阻值低，電池正負(fù)極輸出感應(yīng)的電壓幅值很小，要準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)阻有一定難度，尤其是在線測(cè)量時(shí)電池端存在充電紋波和負(fù)載變動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)變化。常見(jiàn)的內(nèi)阻測(cè)試方法簡(jiǎn)述于下。

⑴　直流方法

直流方法是在電池組兩端接入放電負(fù)載，根據(jù)在不同電流（I1、I2）下的電壓變化（U1-U2）來(lái)計(jì)算內(nèi)阻值，見(jiàn)圖2。常采用式（3-3）計(jì)算

圖2 蓄電池放電電壓曲線

由于內(nèi)阻值很小，在一定電流下的電壓變化幅值相對(duì)較小，給準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)困難，由于放電過(guò)程電壓的變化，需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計(jì)算電壓變化幅值。實(shí)際測(cè)量中，直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差、準(zhǔn)確度很難達(dá)到10%以上。

⑵　交流方法

交流方法相對(duì)直流法簡(jiǎn)單。

當(dāng)使用受控電流時(shí)，ΔI = Imax Sin(2πft),產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為：

ΔV = Vmax Sin(2πft + φ) （4）

這種情況的阻抗均為：

（5）

即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其模為 |Z|= Vmax/Imax, 相角為φ。

從理論上講，向電池饋入一個(gè)交流電流信號(hào)，測(cè)量由此信號(hào)產(chǎn)生的電壓變化即可測(cè)得電池的內(nèi)阻。

R = Vav / Iav （6）

式中 Vav----檢測(cè)到交流信號(hào)的平均值；

Iav ---- 饋入交流信號(hào)的平均值

在實(shí)際使用中，由于饋入信號(hào)的幅值有限，電池的內(nèi)阻在μΩ或mΩ級(jí)，因此，產(chǎn)生的電壓變化幅值也在μ量級(jí)，信號(hào)容易受到干擾。尤其是在線測(cè)量時(shí)，受到的影響更大。采用基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)和同步檢波方法可以克服外界干擾，獲得比較穩(wěn)定的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。

5 對(duì)內(nèi)阻值影響的因素

⑴　不同測(cè)量方法對(duì)內(nèi)阻值的影響

由于測(cè)量方法的不同，蓄電池內(nèi)阻數(shù)值有較大的差異。因此，在研究?jī)?nèi)阻變化時(shí)需要在同一方法下進(jìn)行測(cè)量。

⑵不同充電狀態(tài)對(duì)內(nèi)阻值的影響

蓄電池處于不同的狀態(tài)，其內(nèi)阻值也有很大的差異。放電容量達(dá)到80%后，內(nèi)阻急劇上升。轉(zhuǎn)入充電后，內(nèi)阻很快恢復(fù)到正常數(shù)值。

⑶不同失效模式對(duì)內(nèi)阻值的影響

蓄電池的不同失效模式反映在內(nèi)阻變化的幅值并不一樣。
圖3 是不同劣化模式下的電池放電曲線。與一般的腐蝕模式對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：同樣的歐姆內(nèi)阻變化幅度，失水模式能提供的輸出容量比腐蝕模式要低。

圖3 失水模式與板柵腐蝕的放電差異[61]

另外的電池劣化模式也從不同的角度影響電池的內(nèi)阻，除腐蝕和失水外，活性物質(zhì)的不同結(jié)晶狀態(tài)也影響輸出容量和內(nèi)阻。

對(duì)處于正常浮充電壓一定時(shí)間后的電池，可以認(rèn)為是在完全充電狀態(tài)。

溫度對(duì)電池內(nèi)阻影響甚微，低溫有些影響。在運(yùn)行條件較好的場(chǎng)合，可以不考慮溫度的影響。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓄電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋說(shuō)明，只有IEEE Std 1188-1996中對(duì)內(nèi)阻測(cè)量和數(shù)據(jù)分析作了簡(jiǎn)單的說(shuō)明。IEEE Std 1188-1996指出：內(nèi)阻受包括物理連接、電解液離子導(dǎo)電性和電極表面的活性物質(zhì)的活性3方面因素的影響。內(nèi)阻值與所采用的儀器和測(cè)量方法有關(guān)，內(nèi)阻的變化可以當(dāng)作電池性能或者說(shuō)容量變化的指示。明顯的內(nèi)阻變化表明蓄電池有大的性能改變，超過(guò)30%的變化即可認(rèn)為明顯，但這個(gè)變化幅度可能跟不同廠家的電池有關(guān)。