丁聰 黃 赟 王天翔 柯成

1．上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司；2中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)上海有限公司

引言

目前在通信行業(yè)閥控鉛酸蓄電池在線監(jiān)測(cè)技術(shù)中，國(guó)內(nèi)外較為普遍采用的蓄電池電壓巡檢模式，近10年來(lái)此類技術(shù)的產(chǎn)品和方案，在中高壓直流操作電源、通信電源系統(tǒng)、UPS電源、EPS電源中得到廣泛的應(yīng)用。但在設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)方案和運(yùn)營(yíng)商用戶的實(shí)際使用中始終存在一個(gè)困惑：僅通過(guò)蓄電池浮充狀態(tài)下電壓的變化，難以體現(xiàn)蓄電池真實(shí)的充放電性能變化。對(duì)于終端用戶來(lái)說(shuō)，更加關(guān)注蓄電池在線檢測(cè)技術(shù)，提前發(fā)現(xiàn)蓄電池性能的劣化、容量落后，并對(duì)此趨勢(shì)進(jìn)行有效的把控，防止因?yàn)樾铍姵亟M故障而帶來(lái)的通信用電的隱患以及相關(guān)生產(chǎn)事故。

1 蓄電池運(yùn)行前期的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

圖1．1中蓄電池是某運(yùn)營(yíng)商分公司單組32節(jié)蓄電池組的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。蓄電池的電池配置電壓為380V，每組32節(jié)，單節(jié)電池規(guī)格為12V100Ah，投運(yùn)時(shí)間為1年。從圖1．1中可以看出，蓄電池組單節(jié)電池的浮充電壓屬于正常范圍，且電壓的一致性較好，但通過(guò)單節(jié)內(nèi)阻參數(shù)，存在內(nèi)阻最大（16．2 mΩ）與內(nèi)阻最?。?0．4 mΩ），可見(jiàn)蓄電池組性能一致性的差異所在。

圖1．1 蓄電池組1單體的浮充電壓與內(nèi)阻直方圖

圖1．2是通過(guò)單體的電壓曲線圖，明顯可見(jiàn)32節(jié)蓄電池的電壓較為均衡，彼此偏差較小。

圖1．2 蓄電池單體電壓差異比

如果將蓄電池內(nèi)阻曲線與電壓曲線同步于同一圖中（圖1．3），不難看出問(wèn)題所在，即雖然單節(jié)電池電壓連貫一致，單體電壓差異很小，但蓄電池內(nèi)阻參數(shù)偏差很大，實(shí)際放電或存在因整體一致性差而導(dǎo)致整組放電容量失效情況。

圖1．3 蓄電池組單體的浮充電壓與內(nèi)阻一致性差異比較

由此可見(jiàn)，僅通過(guò)蓄電池電壓（在線運(yùn)行參數(shù)）在線檢測(cè)與后臺(tái)數(shù)據(jù)分析比較，是無(wú)法發(fā)現(xiàn)蓄電池真實(shí)的充放電性能的。蓄電池在線檢測(cè)必須著重關(guān)注其內(nèi)部參數(shù)，即性能參數(shù)。

2 蓄電池運(yùn)行參數(shù)與性能參數(shù)

閥控鉛酸蓄電池有兩類指標(biāo)，一類是在線運(yùn)行參數(shù)，另一類是內(nèi)部參數(shù)（即性能參數(shù)）。

在線運(yùn)行參數(shù)是通過(guò)外部電源施加于蓄電池的，同時(shí)外部電源是可以調(diào)整的參數(shù)，如充、放電電流、溫度及工作電壓等。而內(nèi)部參數(shù)，也稱性能參數(shù)是蓄電池固有的，是真實(shí)表征蓄電池性能的參數(shù)，如電池的內(nèi)阻、容量等。

閥控鉛酸蓄電池浮充電壓、充放電電流及溫度是電池運(yùn)行的重要參數(shù)，這些參數(shù)的準(zhǔn)確性及科學(xué)性可以確保閥控鉛酸蓄電池長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，是安全可靠的必需條件。所以，目前動(dòng)環(huán)系統(tǒng)均將上述運(yùn)行參數(shù)作為必須測(cè)量的項(xiàng)目，并加以嚴(yán)密的在線監(jiān)測(cè)和后臺(tái)管理，這是保證蓄電池正常工作的條件。

然而，在線運(yùn)行參數(shù)，僅是其安全運(yùn)行的必要條件之一，而基于在線運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)的動(dòng)環(huán)系統(tǒng)并不能準(zhǔn)確反映閥控鉛酸蓄電池的內(nèi)部固有性能參數(shù)。如果要真正實(shí)現(xiàn)對(duì)閥控鉛酸蓄電池的科學(xué)化智能化的監(jiān)測(cè)管理，就必須監(jiān)測(cè)其內(nèi)部性能參數(shù)，真實(shí)反映閥控鉛酸蓄電池性能劣化、落后、失效。

此外，通信行業(yè)動(dòng)環(huán)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)浮充狀態(tài)下蓄電池組電壓，本質(zhì)上是基于單體電池浮充電壓的監(jiān)測(cè)。當(dāng)外界電源施加電流作用于單體電池，外界的電流與單體電池端電壓相互疊加影響產(chǎn)生單體電池電壓，單體電池電壓累加即蓄電池組總電壓，往往造成正常電池和失效電池在浮充電壓上的差異不大，但整組電池容量上損耗嚴(yán)重。

3 蓄電池運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3．1是某運(yùn)營(yíng)商服役4年的蓄電池組電壓和內(nèi)阻直方圖。該組單體電池內(nèi)阻差異較大，其中No．14、No．15、No．17蓄電池的內(nèi)阻已經(jīng)超出其他電池內(nèi)阻平均值的5倍以上；同時(shí)單體電壓上也反應(yīng)出性能差異。其中No．15電池的電壓已經(jīng)低到3V以下（圖3．2）。

圖3．1 蓄電池組單體的浮充電壓與內(nèi)阻直方圖

圖3．2 蓄電池組單體的電壓折線圖

綜合比較電壓和內(nèi)阻，由圖3．3可見(jiàn)，僅通過(guò)蓄電池浮充電壓的變化，無(wú)法發(fā)現(xiàn)蓄電池性能的差異，更不能發(fā)現(xiàn)蓄電池性能劣化的程度和趨勢(shì)。必須通過(guò)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池內(nèi)阻變化情況，運(yùn)用單體電池電壓和內(nèi)阻的數(shù)據(jù)綜合比較，可以快速掌握蓄電池性能狀況。

圖3．3 蓄電池組單體的電壓和內(nèi)阻曲線圖

4 內(nèi)阻與電池性能關(guān)系驗(yàn)證

表4．1為在某UPS公司的廠內(nèi)測(cè)試。首先選擇一組20節(jié)電池的電池組（電池電壓12V），接入蓄電池在線巡檢儀（內(nèi)阻型），進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻的測(cè)試；然后將No．1～No．5更換為已知失效的蓄電池（且是同容量、同狀態(tài)下），進(jìn)行再次測(cè)量。

表4．1 不同性能電池內(nèi)阻對(duì)照表

為驗(yàn)證內(nèi)阻與性能劣化的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行放電測(cè)試，將No．1～No．5這5個(gè)已知劣化嚴(yán)重電池，與其他電池進(jìn)行比對(duì)試驗(yàn)。這5個(gè)電池的容量都在10%，而其他電池容量在80%以上。

圖4．1 電池更換前后內(nèi)阻直方圖

No．1～No．5蓄電池內(nèi)阻前后的變化之大，明確了內(nèi)阻與蓄電池性能的直接關(guān)系。由此可見(jiàn)，通過(guò)蓄電池內(nèi)阻參數(shù)的測(cè)量，比較蓄電池內(nèi)阻，可以直接反映蓄電池性能的差異，并反映蓄電池劣化的狀況，對(duì)于閥控鉛酸蓄電池的早期預(yù)警以及故障診斷，具有重要的實(shí)際意義。

5 內(nèi)阻監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

由于蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的工作原理不同；不同蓄電池廠家，在極板、板珊的成分、電解液的濃度、隔膜的選擇不同和內(nèi)阻不同；另外由于蓄電池荷電態(tài)不同，蓄電池的內(nèi)阻值不同，如何選擇合適有效的內(nèi)阻測(cè)量方法來(lái)還原蓄電池劣化的狀況是蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)應(yīng)用的關(guān)鍵。

5.1 不同測(cè)量方法對(duì)內(nèi)阻值的影響

不同型號(hào)的測(cè)量?jī)x器可能使用不同的內(nèi)阻測(cè)量方法，尤其是不同的測(cè)試原理，所獲得的電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)有較大的差異。無(wú)論哪種測(cè)量方法，在數(shù)值上存在一定的差異，這是由于測(cè)量原理的不同所致，同時(shí)測(cè)量的蓄電池內(nèi)阻的含義不同。

對(duì)一組20節(jié)12V38Ah鉛酸閥控蓄電池組，分別采用HIOKI內(nèi)阻測(cè)試儀（工作頻率1000Hz）和LM103蓄電池在線巡檢儀（工作頻率10Hz）測(cè)量20節(jié)蓄電池的內(nèi)阻，其結(jié)果如圖5．1所示。BIS蓄電池在線診斷裝置所測(cè)數(shù)據(jù)均比HIOKI的數(shù)值高。雖然兩種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)存在差異，但反映蓄電池差異的趨勢(shì)方面是一致。

圖5．1 不同測(cè)試方法的鉛酸蓄電池內(nèi)阻

5.2 不同荷電狀態(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，通過(guò)比較蓄電池不同狀態(tài)下（充電、放電）內(nèi)阻參數(shù)而獲得有意義的指導(dǎo)。圖5．2是某運(yùn)營(yíng)商的高壓直流操作電源中的一組104節(jié)蓄電池（電池電壓為2V），在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，蓄電池自浮充狀態(tài)下，放電-充電全過(guò)程內(nèi)阻與電壓的變化曲線。可見(jiàn)，蓄電池不同的荷電態(tài)下，蓄電池的內(nèi)阻數(shù)值是不同的，并且隨著荷電的下降，蓄電池內(nèi)阻呈上升趨勢(shì)。

圖5．2 放電/充電過(guò)程電壓/內(nèi)阻變化

同一個(gè)蓄電池在放電結(jié)束后轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，直至充滿為止的過(guò)程中，蓄電池內(nèi)阻的變化是與電壓呈相反趨勢(shì)，即內(nèi)阻趨于變小。即在表述蓄電池內(nèi)阻的同時(shí)，必須注明蓄電池的荷電狀態(tài)，對(duì)于分析內(nèi)阻才有價(jià)值。

圖5．3是蓄電池在不同放電倍率下內(nèi)阻變化的曲線。

圖5．3 不同放電倍率下蓄電池內(nèi)阻的變化

隨放電電流的改變，其內(nèi)阻變化的曲線不同；但無(wú)論是在什么放電倍率下的電流，在放電初期，蓄電池的內(nèi)阻是不隨放電電流的改變而改變，即當(dāng)蓄電池放電初期，內(nèi)阻是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，并不隨外界條件的改變而變化。

當(dāng)蓄電池處于放電初期階段，假定蓄電池處于充滿電的狀態(tài)，蓄電池的內(nèi)阻是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，其不隨外界條件的改變而變化?？梢?jiàn)，在蓄電池放電初期，通過(guò)測(cè)量?jī)?nèi)阻的變化，作為蓄電池性能劣化的判斷依據(jù)，可直接反映蓄電池性能變化。

5.3 內(nèi)阻與剩余容量的相關(guān)性研究

筆者通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)分析了阻抗與SOH之間的相關(guān)性?？偨Y(jié)如下：

(1)電池的劣化失效遵循一定的規(guī)律；

(2)一些類型的電池劣化引起阻抗變化；

(3)在蓄電池劣化的初期，其阻抗的變化不易察覺(jué)；

嚴(yán)重失效的電池其阻抗變化強(qiáng)烈，即用阻抗方法能發(fā)現(xiàn)所有嚴(yán)重失效的電池。某國(guó)外研究機(jī)構(gòu)通過(guò)168節(jié)1000Ah的電池現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明阻抗的倒數(shù)（電導(dǎo)）與劣化程度的相關(guān)性。

圖5．4 電池電導(dǎo)與劣化程度的關(guān)系

6 蓄電池檢測(cè)對(duì)節(jié)能和環(huán)保的影響

蓄電池檢測(cè)對(duì)于節(jié)能環(huán)保的意義是多方面的。

（1）根據(jù)上文所述，蓄電池的狀態(tài)與蓄電池的當(dāng)前內(nèi)阻存在密切關(guān)系。蓄電池內(nèi)阻的增加會(huì)導(dǎo)致放電時(shí)端電壓下降，電池內(nèi)耗上升，進(jìn)而導(dǎo)致放電效率的下降，總放電量的下降。因此，進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻的監(jiān)測(cè)，及時(shí)剔除、更換內(nèi)阻過(guò)大的蓄電池可以有效的減少蓄電池放電時(shí)的內(nèi)耗，提高整組蓄電池的放電效率。在放電量需求相同的條件下，蓄電池總消耗容量下降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

（2）單節(jié)壞電池（或內(nèi)阻過(guò)大的電池）會(huì)影響到整組蓄電池的表現(xiàn)。蓄電池組中的壞電池會(huì)在充放電中出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電現(xiàn)象，繼續(xù)使用可能導(dǎo)致正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到損壞，在自身?yè)p壞的同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整組電池的容量明顯減少，放電電壓無(wú)法保證，放電效率下降等能耗上升的問(wèn)題。

（3）電池組中存在壞電池會(huì)影響到整組電池的使用壽命。如果一組蓄電池中部分電池的內(nèi)阻與其他電池差距過(guò)大，在充電時(shí)得到的充電電壓就不平均，無(wú)論充電電壓不足或者充電電壓過(guò)高都會(huì)導(dǎo)致蓄電池組失效變快。及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池組中內(nèi)阻異常的電池可以有效的延長(zhǎng)整租蓄電池使用壽命，進(jìn)而在降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的保護(hù)。

7 結(jié)論

動(dòng)環(huán)系統(tǒng)檢測(cè)的蓄電池浮充電壓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，作為在線運(yùn)行參數(shù)對(duì)蓄電池的性能無(wú)直接關(guān)聯(lián)性；而蓄電池內(nèi)阻作為內(nèi)部參數(shù)，即性能參數(shù)，對(duì)于分析蓄電池的性能有直接關(guān)聯(lián)性。依據(jù)諸多實(shí)際項(xiàng)目，筆者認(rèn)為蓄電池內(nèi)阻參數(shù)可作為蓄電池性能判斷依據(jù)，支持依據(jù)如下：

1)蓄電池內(nèi)阻的研究及國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究報(bào)告顯示，近二十年來(lái)無(wú)一例外的一個(gè)蓄電池性能嚴(yán)重衰減或容量嚴(yán)重下降，但其內(nèi)阻沒(méi)有變化的實(shí)例。

2)在蓄電池性能失效時(shí)（尤其是閥控鉛酸蓄電池），無(wú)論何種模式的失效，都必然體現(xiàn)內(nèi)阻異常。

綜合實(shí)踐數(shù)據(jù)，總結(jié)如下：

（1）同一條件，同一手段方法測(cè)量?jī)?nèi)阻，才是討論蓄電池性能的參數(shù)的根本；在此標(biāo)準(zhǔn)下，蓄電池內(nèi)阻變化與蓄電池性能或容量存在直接關(guān)聯(lián)性，且能夠得出準(zhǔn)確可靠的結(jié)論。

（2）同一條件，不同手段方法測(cè)量?jī)?nèi)阻，內(nèi)阻的代表含義不盡相同，其數(shù)值不可能完全一致，不具備可比性，但有趨勢(shì)性。

（3）不同條件，采用不同手段方法測(cè)量?jī)?nèi)阻，以達(dá)到建立蓄電池內(nèi)阻與性能或容量衰減的某種關(guān)聯(lián)。