鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：861次 | 2019年11月09日
高可靠電力保障領(lǐng)域的最后一道防線
1、引言
蓄電池作為直流電源系統(tǒng)的核心組成部分，起著儲(chǔ)備電能、應(yīng)付電網(wǎng)異常和特殊工作情況、維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵作用，是需要高可靠電力保障領(lǐng)域的最后一道防線。當(dāng)前，蓄電池在線監(jiān)測及狀態(tài)評(píng)估逐漸被人們所重視，在電力、通信等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，然而，蓄電池在線監(jiān)測及狀態(tài)評(píng)估所采用關(guān)鍵技術(shù)—內(nèi)阻測量技術(shù)，并不被人們所了解，還存在模糊的認(rèn)識(shí)。
2、蓄電池狀態(tài)在線評(píng)估
目前對(duì)蓄電池（落后）狀態(tài)在線評(píng)估有浮充電壓監(jiān)測法和蓄電池內(nèi)阻監(jiān)測法。
浮充電壓監(jiān)測法過去曾廣泛采用，但是理論分析和大量實(shí)驗(yàn)證明，浮充電壓與蓄電池的（落后）狀態(tài)及預(yù)計(jì)使用壽命無關(guān)，因此現(xiàn)在已不在用于對(duì)蓄電池的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。
理論分析和大量實(shí)驗(yàn)證明，蓄電池（落后）狀態(tài)及預(yù)計(jì)使用壽命與其內(nèi)阻具有密切的關(guān)系，目前國內(nèi)外使用的蓄電池監(jiān)測設(shè)備及蓄電池狀態(tài)分析設(shè)備都是以蓄電池內(nèi)阻為主要指標(biāo)，結(jié)合蓄電池內(nèi)阻的變化速率及歷史數(shù)據(jù)，建立專家系統(tǒng)，對(duì)蓄電池（落后）狀態(tài)進(jìn)行在線評(píng)估，預(yù)計(jì)其使用壽命。
電站蓄電池往往采用大容量蓄電池，其內(nèi)阻極其微小，為幾十到數(shù)百微歐，甚至接頭的緊固的松緊程度都會(huì)對(duì)測量結(jié)果不影響，并且蓄電池在線工作是因?yàn)槌潆娧b置產(chǎn)生一定的紋波干擾，因而傳統(tǒng)的電阻測量技術(shù)難以達(dá)到要求，應(yīng)采用微電阻精密測量技術(shù)進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測量，以對(duì)蓄電池內(nèi)阻微歐級(jí)這樣微小的變化做出的反映。
3、蓄電池的內(nèi)阻模型
圖1（a）為蓄電池簡化等效電路，圖中RC1和RC2分別為正負(fù)電極的極化電阻，C1和C2是正負(fù)電極的雙電層電容，RΩ是蓄電池的歐姆電阻。圖（a）還可以進(jìn)一步簡化為（b），圖中R和為蓄電池的極化電阻，C為兩電極雙電層電容等效值。蓄電池連接部分主要是歐姆電阻，而電極活性物質(zhì)部分既有歐姆電阻又有極化電阻。
（1）歐姆電阻：由極板、匯流排、極柱、電解液、隔膜等的電阻組成，它們服從歐姆定律。
（2）極化電阻：包括濃差極化電阻和電化學(xué)極化電阻，它們由擴(kuò)散極化電阻、電荷傳遞電阻組成，是由電極動(dòng)力學(xué)過程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移引起，它們不服從歐姆定律。
濃差極化：電流通過蓄電池后，引起正負(fù)電極表面附近的電解液濃度變化，進(jìn)而產(chǎn)生濃極化電動(dòng)勢(shì)η+、η-，其大小與電流大小、溫度、電極反應(yīng)速率、電遷移、擴(kuò)散速度有關(guān)。
電化學(xué)極化：當(dāng)電流通過蓄電池時(shí)，由于電極過程某一步的遲緩，阻礙了電極過程的進(jìn)行，使電極電位離開平衡電極電位。其大小與電流大小、溫度、電極真實(shí)有效表面積等因素有關(guān)。
4、影響蓄電池內(nèi)阻的因素
影響蓄電池內(nèi)阻的因素主要有：
（1）蓄電池的落后程度：隨著蓄電池使用時(shí)間的增加，由于電池失水、極板及連接條的腐蝕、極板的硫酸化、極板的變形及活性物質(zhì)的脫落等因素，造成蓄電池容量減小，蓄電池的內(nèi)阻逐漸變大。
（2）蓄電池的荷電量：同一只蓄電池，放電程度不同，由于蓄電池電解液深度、電極表面反應(yīng)物質(zhì)的厚度、電極表面的孔隙率明顯不同，而使蓄電池的內(nèi)阻差異很大。放電程度越深，蓄電池的內(nèi)阻越大。
因而在對(duì)蓄電池落后狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，同一生產(chǎn)廠家同一型號(hào)的蓄電池應(yīng)建立統(tǒng)一的內(nèi)阻標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將電池充滿電后再進(jìn)行內(nèi)阻測量，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)蓄電池落后狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，如果未充滿電，由于無法區(qū)分是蓄電池落后狀態(tài)引起的內(nèi)阻增加，還是蓄電池荷電狀態(tài)引起的內(nèi)阻增加，而使評(píng)估失去意義。
（3）溫度：隨著溫度的升高，反應(yīng)物質(zhì)的擴(kuò)散、電荷傳遞、電極動(dòng)力學(xué)過程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移更容易進(jìn)行，因而蓄電池內(nèi)阻減小。
（4）蓄電池的型號(hào)：不同生產(chǎn)廠家、不同種類、不同型號(hào)的蓄電池，由于電極、電解液、隔膜的材料配方不同、電池的結(jié)構(gòu)不同、裝配工藝不同而使蓄電池內(nèi)阻產(chǎn)生差異。
（5）測量信號(hào)頻率：目前許多蓄電池內(nèi)阻測量實(shí)際上測的是蓄電池的阻抗，而蓄電池并非純電阻特性，還包含電容，因而其阻抗大小和測量信號(hào)頻率有關(guān)，使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果不具有客觀性。
為使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果具有客觀性，應(yīng)根據(jù)測量信號(hào)電流和電壓的相位關(guān)系，用解析的方法去除蓄電池電容對(duì)測量結(jié)果的影響，使測量結(jié)果和測量信號(hào)頻率無關(guān)，即在任何測量信號(hào)頻率下，內(nèi)阻測量結(jié)果具有唯一性。
（6）測量時(shí)間和測量電流大?。涸诓捎幂^大測量電流的情況下，在施加測量信號(hào)和關(guān)閉測量信號(hào)的瞬間，由于極化和建立和穩(wěn)定是個(gè)變化的過程，不同的測量電流，不同的測量時(shí)間，極化是不同的，使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果不具有客觀性。
為使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果具有客觀性，應(yīng)盡量用較小的信號(hào)電流進(jìn)行內(nèi)阻測量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，測量電流應(yīng)≤0.05C10,其中C10為10小時(shí)放電率下蓄電池的容量。使內(nèi)阻測量結(jié)果與測量時(shí)間及測量電流大小無關(guān)，內(nèi)阻測量結(jié)果具有唯一性。
5、交流放電法蓄電池的內(nèi)阻測量技術(shù)
交流放電法蓄電池測量技術(shù)，是在交流注入法蓄電池內(nèi)阻測量技術(shù)的基礎(chǔ)上的更進(jìn)一步發(fā)展，該方法綜合了交流注入法和直流放電法的優(yōu)點(diǎn)。其原理是CpU通過D/A控制智能負(fù)載，使蓄電池向智能負(fù)載放電，產(chǎn)生一個(gè)低頻（頻率小于100Hz），幅值約為0.01C10～0.05C10的正弦波交流信號(hào)(有效信號(hào)，頻率為f0，角速度ω0=2πf0)：I=I0Sin(ω0t)，其中C10為10小時(shí)放電率下蓄電池的容量。相應(yīng)地，在電池上產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為：U=U0Sin(ω0t+φ)，阻抗為：Z(ω)=U0/I0×ejφ。
交流放電法蓄電池內(nèi)阻測量原理圖、測量信號(hào)波形圖見圖2、圖3。
（1）MOS管：MOS管的作用是由CpU通過D/A控制MOS管，使蓄電池向負(fù)載放電，產(chǎn)生特定頻率的、幅值穩(wěn)定的正弦波激勵(lì)信號(hào)。
（2）多路開關(guān)：多路開關(guān)由CpU控制，進(jìn)行信號(hào)的切換，以實(shí)現(xiàn)蓄電池組中每節(jié)蓄電池內(nèi)阻的測量。
（3）耦合電容：耦合電容作用是隔離直流，而使交流信號(hào)順利通過。為保證測量電路的精度，耦合電容要保證嚴(yán)格的匹配性。
（4）可編程帶通濾波器：蓄電池在線工作時(shí)，充電裝置紋波電流可能相當(dāng)大，一些UpS電源的紋波電流有幾安甚至幾十安，遠(yuǎn)大于測量信號(hào)，如果不采用濾波，后級(jí)的放大器將會(huì)飽和。帶通濾波器的設(shè)計(jì)可以使頻率接近為測量信號(hào)頻率的信號(hào)可以通過，而其他頻率的信號(hào)不能通過。這樣后級(jí)的放大器可以將微弱的測量信號(hào)進(jìn)行有效放大。
（5）高速同步A/D轉(zhuǎn)換器：該器件為高速同步A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)和電壓信號(hào)的高速同步采樣，確保電流信號(hào)和電壓信號(hào)的嚴(yán)格的相位關(guān)系前提下，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
（6）DSp：雖然經(jīng)過前級(jí)的濾波去除了大部分干擾信號(hào)，但仍有相當(dāng)?shù)母蓴_信號(hào)和有效信號(hào)一起被采樣進(jìn)來，如不進(jìn)行處理，將會(huì)嚴(yán)重影響測量精度。由于只有頻率為f0的信號(hào)為有效信號(hào)，利用DSp的數(shù)字運(yùn)算能力，對(duì)采樣信號(hào)用FFT算法分別提取電流、電壓采樣信號(hào)中頻率為f0的信號(hào)部分進(jìn)行運(yùn)算。
電流、電壓采樣信號(hào)送入DSp后，DSp對(duì)信號(hào)進(jìn)行如下處理：
（a）對(duì)電流和電壓采樣信號(hào)進(jìn)行FFT變換，分別計(jì)算出電流信號(hào)及電壓信號(hào)的頻譜分布；
（b）分別提取頻率為f0的電流信號(hào)和電壓信號(hào)：
電流信號(hào)：I=I0Sin(ω0t+φ1)
電壓信號(hào)：U=U0Sin(ω0t+φ2)
（c）計(jì)算蓄電池的阻抗、內(nèi)阻及相位差：
阻抗為：Z(ω)=U0/I0×ejφ。
相位差為：φ=φ2-φ1
蓄電池內(nèi)阻R=|Z(ω)|×Cosφ
（d）將結(jié)果送入CpU，并進(jìn)一步顯示、存貯，以有進(jìn)行其他分析。
（7）CpU：采用philip公司ARM芯片LpC2478，對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行控制管理，以及和其他設(shè)備進(jìn)行通訊。
交流放電法蓄電池內(nèi)阻測量的特點(diǎn)：
（1）安全可靠。蓄電池工作主回路不接入任何器件，測量回路設(shè)計(jì)有10KΩ限流電阻和保險(xiǎn)管，測量回路為高阻設(shè)計(jì)，蓄電池工作回路和測量回路安全獨(dú)立，互不影響，可以在蓄電池在線工作時(shí)更換蓄電池監(jiān)測設(shè)備。
（2）放電電流小，對(duì)蓄電池?zé)o損害。放電電流為0.01C10～0.05C10，不對(duì)蓄電池產(chǎn)生沖擊，不會(huì)造成柵板變形及活性物質(zhì)脫落，對(duì)蓄電池壽命無影響。
（3）抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)于對(duì)工作中的蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。采用可編程帶通濾波器進(jìn)行濾波，并數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，有效地消除了直流充電裝置紋波對(duì)測量的影響，具有很好的抗干擾性能，適應(yīng)于對(duì)工作中的蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。
（4）測試精度高，狀態(tài)評(píng)估和奉命預(yù)測準(zhǔn)確。帶通濾波器+多級(jí)高精度運(yùn)算放大器+數(shù)字信號(hào)處理，使蓄電池內(nèi)阻測試精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法蓄電池內(nèi)阻測量技術(shù)。準(zhǔn)確的蓄電池（老化）狀態(tài)在線評(píng)估及壽命預(yù)測要求對(duì)蓄電池內(nèi)阻微歐級(jí)這樣微小的變化做出的反映，蓄電池內(nèi)阻在線測試精度要在2%以內(nèi)，重復(fù)精度在1%以內(nèi)，目前傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法是無法達(dá)到的。
（5）測試結(jié)果是蓄電池的真實(shí)內(nèi)阻，和測量時(shí)間、信號(hào)頻率、測試電流大小無關(guān)，具有客觀性，也便于數(shù)據(jù)的橫向比較。
