王永瑞 韓 冰 張鐘華 賀 青 李小亭

(1.河北大學(xué)，保定 071002；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

?

一種快速預(yù)測閥控密封式鉛酸蓄電池壽命的方法

王永瑞1韓 冰2張鐘華2賀 青2李小亭1

(1.河北大學(xué)，保定 071002；2.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029)

本文提出了一種可以精確的測得閥控密封式鉛酸蓄電池放電曲線的新方法，可用于快速預(yù)測閥控密封式鉛酸蓄電池的壽命。隨著電池使用次數(shù)的增加，蓄電池的放電曲線會發(fā)生變化，通過精確測量放電開始的一段曲線的特征設(shè)計出一種快速預(yù)測電池壽命的方法。經(jīng)分析，可以得出閥控密封式鉛酸蓄電池壽命與電池放電開始一段曲線斜率的關(guān)系，這個斜率的變化與電池的壽命特性呈現(xiàn)正相關(guān)特性。

蓄電池；壽命；放電曲線；快速預(yù)測

0 引言

隨著環(huán)境污染問題的嚴(yán)重，電動汽車的推廣越來越受到重視。電動汽車的動力來自于蓄電池，蓄電池的使用狀態(tài)決定了電動汽車的可靠性。對蓄電池容量進(jìn)行測量并預(yù)測電池的壽命，可以得到電動汽車的使用狀態(tài)及續(xù)航能力，防止使用過程中動力不足現(xiàn)象的發(fā)生。

因為閥控密封式鉛酸(VRLA)蓄電池具有容量大、價格低、基本免維護(hù)等優(yōu)點，使其在各方面被廣泛的應(yīng)用[1-3]，如電動汽車、軍事系統(tǒng)、通訊電源、UPS系統(tǒng)等。但是環(huán)境溫度、充放電電流及次數(shù)、充放電深度、使用時間等因素都會影響鉛酸蓄電池的容量，這些都給在線測量造成困難。如何準(zhǔn)確快速預(yù)測電池的可輸出容量成為一大難題。本文就閥控密封式鉛酸蓄電池壽命的快速預(yù)測方法進(jìn)行了研究和設(shè)計。

1 蓄電池壽命快速測量技術(shù)研究現(xiàn)狀

國標(biāo)QC/T 743—2006以電池容量衰減為額定容量的80%作為電池壽命終結(jié)的標(biāo)志。其中，電池容量指的是電池從滿充狀態(tài)開始放電到終止電壓(蓄電池說明書標(biāo)注)所能放出的電量。由于影響VRLA電池容量的因素較多，所以在進(jìn)行容量預(yù)測時用到的方法也是多種多樣。目前最常用的蓄電池的檢測方法主要有10小時率放電法[2,4]、電壓巡檢法和測量蓄電池內(nèi)阻法。

GBT 19638.2—2005中對10小時率放電法進(jìn)行了定義。蓄電池完全充電后，靜置1～24h，當(dāng)蓄電池的表面溫度為25℃±5℃時，進(jìn)行容量放電試驗。10小時率容量用I10A(額定容量十分之一，這樣10h放出的電量就是額定容量)的電流放電到1.75V時終止。放電期間測量并記錄單體蓄電池的端電壓及蓄電池表面溫度，測記間隔為1h。在放電末期要隨時測量，以便確定蓄電池放電到終止電壓的準(zhǔn)確時間。蓄電池在20～25℃條件下，以2.40V±0.01V/單格(12V蓄電池均由6個單格電池串聯(lián)而成，每個單格的標(biāo)稱電壓為2V，串聯(lián)成12V)的恒定電壓充電至電流值5h穩(wěn)定不變(這里的電流值為充電電流，電池充滿后會有自放電，為了使電池保持在滿充狀態(tài)，充電器會繼續(xù)對電池涓流充電)，可認(rèn)為蓄電池是完全充電。

電池容量表達(dá)式為

Q=∫Idt

(1)

這種蓄電池容量測試方法被廣泛認(rèn)可，測量結(jié)果也很可靠，所測得的電池容量最準(zhǔn)確。缺點是會加速電池老化，減少電池使用壽命，而且測量時間長，測試麻煩，占用的人力物力較多。而且由于通電后負(fù)載的變化，電流不能夠保持恒定不變，會對測量值產(chǎn)生影響。

電壓法的優(yōu)點是操作簡單快速。它通過測量電池的開路電壓和負(fù)載電壓的大小來預(yù)測蓄電池的容量。文獻(xiàn)[5]通過短時間測量來預(yù)測蓄電池的穩(wěn)定電壓，以此來預(yù)測蓄電池的剩余容量。這種方法雖然可以快速的預(yù)測蓄電池容量，但是預(yù)測值與測量值的相對誤差在6%左右。

對于VRLA蓄電池，電導(dǎo)值是其保持充電能力的特性指標(biāo)。通過測量內(nèi)阻可以預(yù)測和評估蓄電池的性能，因為蓄電池的阻抗與其容量和完好性都有密切的關(guān)系[5]，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.825。VRLA蓄電池鉛酸蓄電池內(nèi)阻分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，歐姆內(nèi)阻隨著電池老化變化較大，極化內(nèi)阻幾乎沒有變化。有關(guān)資料表明歐姆內(nèi)阻的絕大部分來自極板和電解液的歐姆電阻。

如圖1是一種蓄電池的阻抗模型。其中Rm和Ra分別表示極板的歐姆內(nèi)阻和電解液的歐姆內(nèi)阻，Rb表示極化內(nèi)阻，Cb表示電池的極化電容。

圖1 蓄電池阻抗模型

在VRLA蓄電池的老化過程中,很多因素會導(dǎo)致蓄電池容量的減少,同時使電池歐姆內(nèi)阻增長。由此可見,蓄電池歐姆內(nèi)阻可作為表征其容量的可靠指標(biāo)。

這種方法雖然可以實時在線的進(jìn)行，但是蓄電池荷電狀態(tài)低于30%時內(nèi)阻變化比較劇烈，對蓄電池壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性影響很大。

2 蓄電池壽命快速預(yù)測方法的原理

通過對上述幾種VRLA電池壽命預(yù)測方法的研究，我們不難發(fā)現(xiàn)：只有10小時率放電法可以可靠的測量電池的剩余壽命，但是這種方法周期特別長。其他的測量方法雖然速度快，但是準(zhǔn)確性不高。

因此，本文基于10小時率放電法設(shè)計了一個快速預(yù)測VRLA電池壽命的方法，目的是實現(xiàn)蓄電池的在線監(jiān)測，以確定是否需要進(jìn)行10小時率放電法測量。本方法首先對10小時率放電法中用到的電阻元件進(jìn)行了改進(jìn)，一般的電阻元件在通電時會發(fā)熱，因為熱阻效應(yīng)使得電阻的阻值發(fā)生變化，這樣就會導(dǎo)致流經(jīng)電阻上面的電流不恒定，從而使得測量結(jié)果偏離實際值。此方法利用低負(fù)載系數(shù)的電阻對電池進(jìn)行放電，可以很好的消除負(fù)載通電變化對測量的影響。同時，電池受外界環(huán)境的影響非常大，所以在實驗過程中將蓄電池放置于恒溫室中，去除了環(huán)境的影響。這樣所測得的電池放電曲線變化完全來自于電池的內(nèi)部因素，避免了外接干擾的影響。

圖2所示為閥控密封式鉛酸蓄電池剩余壽命的預(yù)測過程，其中用到的低負(fù)載系數(shù)的電阻是由中國計量科學(xué)研究院研制的極低負(fù)載系數(shù)的電阻。

圖2 測量方法示意圖

測量電阻端電壓所使用的萬用表是安捷倫所生產(chǎn)的3458A數(shù)字萬用表。電壓測量精度可以達(dá)到10-8量級，經(jīng)試驗驗證可以容易的分辨出電池端電壓的微小變化量。

本方法采用LabVIEW編寫的上位機(jī)程序來實現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的快速實時記錄。實驗中數(shù)據(jù)采集的周期為1s，電壓值被實時的顯示在計算機(jī)顯示器上，電壓變化的曲線直接顯示出來，既節(jié)省人力，又能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速記錄，達(dá)到快速測量的目的。

圖3 電路原理圖

圖3所示就是本文所設(shè)計的電路原理圖，其中Rs為低負(fù)載系數(shù)電阻，RH是一個可耐受高負(fù)荷的電阻元件，R1和R2構(gòu)成一個分壓器。R1和R2選用阻值為100MΩ的電阻，電路工作的時候流經(jīng)兩電阻上的電流可以忽略不計，自身發(fā)熱也就接近于零。電池的端電壓被R1和R2構(gòu)成的分壓器分壓，當(dāng)Rs與RH之間的電壓值大于E·R1/(R1+R2)時，運(yùn)算放大器構(gòu)成的比較器會輸出一個正電壓，圖中的晶體管通過的電流變大，等效電阻變小，相當(dāng)于RH兩端并聯(lián)了一個阻值較小的電阻，起到對RH分流的作用，流經(jīng)電阻RH上的電流變小，電壓也就隨之減小。同理，當(dāng)此電壓小于E·R1/(R1+R2)時，運(yùn)算放大器和晶體管構(gòu)成的電壓補(bǔ)償電路產(chǎn)生相反的作用，最終使兩點的電壓值相同。

計算可得，電池所接負(fù)載電路的等效電阻為

Reff=Rs(R1+R2)/R1

(2)

可以看出，如果R2/R1很穩(wěn)定，Reff將和Rs一樣具有低負(fù)載系數(shù)。這樣就使得整個負(fù)載電路不受電流變化的影響，從而提高檢測的精度。

如果檢測精度足夠高，那么處于不同狀態(tài)的蓄電池放電曲線的細(xì)微差別將被檢測出來。尤其是在電池放電開始的一段時間內(nèi)。對于同一蓄電池，隨著循環(huán)次數(shù)和使用時間的增加，曲線也將明顯發(fā)生變化，可作為蓄電池性能及壽命的評估判據(jù)[7]。如果開始這段時間的放電曲線可以表征整個放電曲線，那么這段曲線的特征就包含了電池剩余壽命的信息。通過測量和分析這段曲線就可以在短時間內(nèi)預(yù)測電池的壽命。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過大量的實測數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)同一電池在短期內(nèi)的放電曲線是沒有明顯規(guī)律的，放電曲線起始部分的斜率并沒有太明顯的變化，但是隨著放電次數(shù)的增加，放電次數(shù)間隔的變大，放電曲線所表現(xiàn)出來的差異就會變得明顯起來。

圖4為VRLA蓄電池不同循環(huán)次數(shù)后的放電的起始部分曲線。由各條放電曲線的擬合趨勢線的回歸方程可以看出，隨著電池使用次數(shù)的增加，一次項系數(shù)有明顯的變化，且隨著放電次數(shù)的增多有放緩的趨勢。一次項系數(shù)的變化趨勢的回歸方程為：

圖4 電池放電曲線對比

(3)

式中，x為放電次數(shù)；y為電池x次放電時擬合曲線的一次項系數(shù)。通過測量得到一次項系數(shù)就可以計算得到電池的使用次數(shù)，從而實現(xiàn)對電池剩余使用壽命的預(yù)測。

通過以上的對比試驗可以初步得到以下推論：

1)電池的放電曲線隨著使用次數(shù)的增加會發(fā)生顯著變化，這個變化與電池的壽命特性呈現(xiàn)正相關(guān)特性。

2)電池的容量越接近理想狀態(tài)，測量得到的放電曲線擬合后的一階系數(shù)越小，與預(yù)測吻合。一階系數(shù)隨蓄電池循環(huán)次數(shù)的增加成對數(shù)趨勢減小，可以作為閥控密封式鉛酸蓄電池壽命預(yù)測的判斷指標(biāo)。

4 結(jié)論

實驗證明閥控密封式鉛酸蓄電池在經(jīng)過多次的充放電循環(huán)之后，放電開始的一段曲線的特征是有明顯變化的，可以用來快速預(yù)測電池的壽命。這種方法可以與其他多種方法共同使用，以達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的，也可以用于判斷蓄電池是否需要進(jìn)行10小時率放電法進(jìn)行容量精確測定的一個判據(jù)。同時本方法也有一些問題需要解決，如放電起始點的確定；不同型號電池的特性曲線不同；恒電阻負(fù)載與恒電流負(fù)載的等效問題；實驗室測試與現(xiàn)場應(yīng)用之間差異巨大等。而且要定量的描述蓄電池的壽命還需長期的實驗和大量的數(shù)據(jù)積累。因此，這種快速預(yù)測閥控密封式鉛酸蓄電池壽命的方法還需進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

[1] Pan shangzhi, Qian zhaoming and Lei na .A novel charge and discharge equalization scheme for battery strings.Journal of Zhejiang University, 2000,Vol.2 No.1

[2] Manfred R.Laiding and John W.Wurst.Battery failure prediction BTECH, Inc.Whippany, New Jersey.

[3] 羅希國.蓄電池殘留放電時間的監(jiān)視[J].華北電力技術(shù)，2001(1)

[4] M.F.Groves.Storage battery maintenance JUNE 1990 Western area power administration system maintenance manual， chapter 9

[5] J.M.Hawkins & L.O.Barling Some aspects of battery impedance characteristics in Proc.Conf.INTELEC 95, 1995

[6] J.H.Aylor, A.Thienne and B.W.Jhnson.A battery state of charge indicator for electricwheel chairs, IEEE Trans.Ind.Electron., 1995, 39

[7] 陳杰，徐劍虹.閥控密封式鉛酸蓄電池失效機(jī)理及檢測[J].電源技術(shù)，1999， 23(6)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.06