關(guān)于閥控密封鉛蓄電池容量與電導(dǎo)的相關(guān)性

 摘要: 閥控密封鉛蓄電池荷電態(tài)在50%以上時,其內(nèi)阻(或電導(dǎo))是看不出什么變化的.只是
荷電態(tài)在50%以下時,鉛蓄電池的內(nèi)阻才逐漸增大.若將荷電態(tài)在0至100%的全部鉛蓄電池都統(tǒng)計進去,其容量與電導(dǎo)才有線性相關(guān)關(guān)系.然而對荷電態(tài)大于80%的在線使用的鉛蓄電池而言,卻不存在上述關(guān)系.因而不能用鉛蓄電池的電導(dǎo)值去推斷在線使用的鉛電池的荷電態(tài)或健康狀態(tài).
關(guān)鍵詞: 密封鉛蓄電池, 內(nèi)阻, 電導(dǎo), 容量, 相關(guān)性
中圖分類號: TM 912   文獻標識碼: A
Correlation between Capacity and Conductance of VRLA
               Gui Chang-Qing
     CSIC 712 Research Institute ( Wuhan Hubei 430064)

Abstract: As soon as the state-of-charge for VRLA was more than 50%,the internal resistance (or conductance) would not be changeable almost. only when the state-of-charge was less than 50%, the internal resistance would become larger obviously. Although the correlation between capacity and conductance might exist for these batteries which state-of-charge was  from 0 to 100%, but this correlation would not exist for on-line batteries which capacity must be more than 80%. For this reason the state-of-charge or state-of-health for on-line batteries could not be predicted from it's values of conductance.
Keywords: VRLA, internal resistance, conductance, capacity, correlation

1. 歷史回顧
十余年之前,國外報導(dǎo)了對1000Ah閥控密封鉛蓄電池剩余容量與電導(dǎo)的統(tǒng)計結(jié)果,認為二者之間存在線性相關(guān)關(guān)系[1],于是有人提出用在線檢測到的VRLA電導(dǎo)值去推斷電池的剩余容量, 還有人試圖根據(jù)電導(dǎo)測試結(jié)果去予測電池的使用壽命.
然而實際得到的結(jié)果并不令人滿意.本人曾對閥控密封鉛蓄電池電導(dǎo)測試原理與實踐作了論述[2],認為對于容量在80%以上的在線使用的閥控密封鉛蓄電池,是無法利用電導(dǎo)值去評估電池的荷電態(tài)和予測電池的使用壽命的.隨后又根據(jù)電化學(xué)中的交流阻抗原理分析了閥控密封鉛蓄電池交流阻抗參數(shù)與荷電態(tài)的關(guān)系[3],并指出了電導(dǎo)測試工作的局限性.
最近看到幾位作者(請見2004年”通信電源技術(shù)”1-5期)根據(jù)國外1992年報導(dǎo)的VRLA容量與電導(dǎo)的相關(guān)性,認為可以”通過測定蓄電池的電導(dǎo)值來估計蓄電池容量的大小,進而判斷電池的健康狀況是完全可行的”, 并且說電池的電導(dǎo)測試會使電池使用維護工作取得突破性進展.但令人不解的是,他們均未提供具體的在線使用的鉛蓄電池的電導(dǎo)與容量具有線性相關(guān)關(guān)系的數(shù)據(jù)來.
看來有必要進一步深入分析和認識VRLA的容量與電導(dǎo)的關(guān)系,實事求是地評價VRLA電導(dǎo)測試儀的作用及測試結(jié)果的價值.
2. 電池容量與電導(dǎo)(內(nèi)阻)的關(guān)系
在文獻[4]中我們已經(jīng)系統(tǒng)地介紹了VRLA容量與電導(dǎo)(內(nèi)阻)的關(guān)系.為了說明問題,在此簡要介紹一下國內(nèi)外一些作者的工作結(jié)果.
      文獻[5]描述了作者對6V/4Ah閥控式密封鉛蓄電池交流阻抗測試的結(jié)果,表明了在電池剩余容量高于40%的區(qū)間內(nèi)，電池內(nèi)阻幾乎沒有變化，并且?guī)缀醪皇芊烹婋娏鞯挠绊?；當剩余容量小?0%時，電池內(nèi)阻卻明顯增大，并且放電電流越小，電池內(nèi)阻增加越快.
早在30年以前,就有人對開口式自由電解液的鉛蓄電池交流阻抗參數(shù)(Rp,Cp,Rs,Cs)跟電池荷電態(tài)之間的關(guān)系進行了研究,結(jié)果表明電池荷電態(tài)在50%以上時，它們幾乎是不變的，只是荷電態(tài)在50%以下時才迅速增加[6]。
我們早期對大容量開口式自由電解液的鉛蓄電池的內(nèi)阻測試方法進行研究,結(jié)果也觀察到同樣的情況[7].
文獻[8]介紹了用電導(dǎo)測試儀對GFM—840L型閥控式密封鉛蓄電池進行電導(dǎo)測試的結(jié)果，同樣觀察到電池荷電態(tài)在50%以上時，其內(nèi)阻幾乎是不變的，只是荷電態(tài)在50%以下時才迅速增加。
日本湯淺公司提供的產(chǎn)品說明書記載了,使用交流阻抗計(1000Hz)測量VRLA內(nèi)阻, 結(jié)果也表明電池荷電態(tài)在50%以上時，其內(nèi)阻幾乎是不變的.
由此可見, 不同時期不同作者的工作都表明,不論是開口式或全密封鉛蓄電池、不論是用交流阻抗法或電導(dǎo)儀測試法（它是簡化了的阻抗測試儀）、不論測量用的交流信號的頻率或幅度如何，雖然測得的同一型號鉛蓄電池內(nèi)阻值有差異，但它們都有一個共同點：鉛蓄電池的荷電態(tài)在50%以上時，其內(nèi)阻或電導(dǎo)幾乎沒有變化，只是在低于40%時，其內(nèi)阻值才迅速上升。
3. 對國外統(tǒng)計結(jié)果的看法
資料[1]綜合了作者們在1992年發(fā)表的用Midtronic Celltron and Midtron 電導(dǎo)測試儀對VRLA的測試和統(tǒng)計結(jié)果. .圖1和圖2示出了336塊1000Ah密封鉛蓄電池用263A放電至1.80V的放電時間跟電池電導(dǎo)之間的關(guān)系.可以看出電池放電時間跟電導(dǎo)之間存在線性相關(guān)關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)R²=0.825. 由此提出對在線使用的電池, 可以用測得的電導(dǎo)值去推測電池的剩余容量.

圖1. 336只1000Ah電池的電導(dǎo)與放電時間  

圖2. 336只1000Ah電池的電導(dǎo)與容量記錄表

表面上看來這樣做是有一定道理的.但應(yīng)當看到,上述結(jié)果是將放電時間接近于0至100%的全部鉛蓄電池都統(tǒng)計進去得到的,可是我國標準中規(guī)定通信用VRLA的容量必須保證在80%以上方可在線使用,低于80%就是失效電池,應(yīng)該更換.也就是說,若用在線使用的電池測得的電導(dǎo)值去推測它的剩余容量,必須觀察電池容量在80%以上時電池的電導(dǎo)跟容量之間是否存在線性相關(guān)關(guān)系.遺憾的是圖1數(shù)據(jù)表明,當電池容量在80%以上時, 看不出容量與電導(dǎo)之間有什么關(guān)系.
事實上仔細一看圖2的數(shù)據(jù)即知,具有這種線性相關(guān)關(guān)系的電池絕大部分都是放電容量低于80%以下的失效電池。在336只電池中，用電導(dǎo)法測得的電池容量在80%以上的好電池只有34只，占總數(shù)10.1%，尚有37/336=11% 的好電池被誤判為不合格電池，即用電導(dǎo)法對電池的好與壞誤判斷的準確率只能達到約50%，更不用說用電導(dǎo)值去預(yù)測電池的荷電態(tài)或使用壽命了.
造成這一結(jié)果的根本原因就在于本文前面所說的, 電池荷電態(tài)在80%以上時，其內(nèi)阻(電導(dǎo))幾乎是不變的，當然不會有什么相關(guān)性了.其次,由于蓄電池的內(nèi)阻很小,只有幾個
mΩ,測量夾的接觸電阻也是mΩ級,因而測量誤差會嚴 重干擾測試結(jié)果;再者,不同廠家生產(chǎn)的蓄電池電導(dǎo)測試儀,由于它們使用的信號頻率不同,測定的參數(shù)不一樣(見表1),并且測定的是含有不同成分的內(nèi)阻,因此即使測試同一塊電池,其結(jié)果也會理所當然不同.
表1. 某些電池內(nèi)阻測定儀的特性
儀器型號和生產(chǎn)廠家     信號頻率(Hz) 測定的參數(shù)
Hewlett-Packard 4328A 1000 阻抗實部
BITE of Biddle Instrument 60 阻抗模數(shù)
Celltron 10
Midtron of Midtronics 25 阻抗實部的倒數(shù)

但現(xiàn)在仍然有人堅持以新電池的電導(dǎo)值(或最大電導(dǎo)值)的80%作為門限值;也有人認為以電池容量達到額定值的80%時的電導(dǎo)值作為門限值,低于該值的電池就是落后電池.生產(chǎn)和維護實踐證明,即使是同一型號同一批的新電池,測得的電導(dǎo)(內(nèi)阻)值也不相同.顯然,上述兩個門限值既是不同的數(shù)值,又是很難定下來的數(shù)值,那么怎么能用它們來判定電池的容量或荷電態(tài)呢?
由此看來,雖然 將荷電態(tài)在0至100%的全部鉛蓄電池都統(tǒng)計進去,其容量與電導(dǎo)之間有線性相關(guān)關(guān)系.然而對荷電態(tài)大于80%的在線使用的鉛蓄電池而言, 卻不存在上述關(guān)系.既然如此,我們何必花那么大的精力去統(tǒng)計必須報廢的失效電池的容量與電導(dǎo)之間的關(guān)系呢?
再來看看近十幾年來國外電池行業(yè)的情況.F.Huet[9]經(jīng)過仔細考察和分析之后指出,在電池行業(yè)中,現(xiàn)在已沒有人用電導(dǎo)法去現(xiàn)場測定蓄電池的容量了.我們在近十年國外一些著名電池雜志和一些著名廠家出版的電池資料上,再也沒見到有人主張用電導(dǎo)值去推斷VRLA的荷電態(tài)和健康狀況態(tài).

4. 合理評價電池電導(dǎo)測試的作用
(1) 不能根據(jù)蓄電池的電導(dǎo)值去推斷它的放電容量和使用壽命.
其中道理如本文前面所述.
  (2) 有助于發(fā)現(xiàn)失效電池
由圖2統(tǒng)計的結(jié)果可以看出,在336只1000Ah電池中,根據(jù)電導(dǎo)測試結(jié)果判定為失效的電池數(shù)為296只,比真正失效電池數(shù)(265個)多11.7%,即誤判率為11.7%.
當然,測量電池的浮充電壓比測量電池的內(nèi)阻(電導(dǎo))要簡單得多,從電池浮充電壓的變化是很容易發(fā)現(xiàn)失效電池或落后電池的(落后電池不一定是失效電池).
(3) 檢查電池是否失水
由于VRLA采用貧液式設(shè)計,電池的放電容量對電解液量非常敏感.電池一旦失水,放電容量就會下降,內(nèi)阻就會加大.因而若發(fā)現(xiàn)電池電導(dǎo)迅速下降,就有可能是電池失水的信號.
(4) 電導(dǎo)測試儀是有用的
電池電導(dǎo)測試儀本身是無可非議的.不能用它來予測密封鉛蓄電池的容量或壽命,這不是儀器之過,這是由密封鉛蓄電池本身決定了的.若用它予測其他類型電池的容量[9],只要實踐證明可行,儀器仍然會大有用武之地.

5. 結(jié)束語
任何一臺測試儀器都有其獨特的工作原理,該工作原理也是建立在一定的理論分析和假設(shè)基礎(chǔ)之上的.因而任何一臺測試儀器都有其一定的適用范圍,過高地估計它的適用性,往往會給實際工作帶來誤導(dǎo)作用.蓄電池電導(dǎo)測試儀也不例外.
科學(xué)是不斷發(fā)展的,人類對事物的認識也是不斷深入的.實踐永遠是檢驗真理的唯一標準.一旦實踐證明以前的看法不完善,就應(yīng)當實事求是地修正它.
  
  
參  考  文  獻
1. David O.  Feder Mark J. Hlavac W K , evaluating the State-of-health of flooded and Valve-Regulated Lead/acid batteries, A Comparison of Conductance testing with Traditional methods [J], J. Power Sources, 1993, 46(2-3),  391-415.
2. 桂長清, 閥控密封鉛蓄電池電導(dǎo)測試原理和實踐 [J], 電源技術(shù), 1993, 23, 266-270.
3. 桂長清, 閥控密封鉛蓄電池阻抗參數(shù)與荷電態(tài) [J], 通信電源技術(shù), 2002 (4) 1-5.
4. 桂長清,柳瑞華, 密封鉛蓄電池的電導(dǎo)與容量的關(guān)系 [J], 電池, 2002 (2) , 74-76.
5. 余沛亮,陳體銜, 閥控密封鉛蓄電池內(nèi)阻 [J], 蓄電池, 1995 (3),  3-5.
6. Gopikanth M L. Sathyanarayana S., Impedance parameters and the state-of-charge,  (Ⅱ) lead acid battery [J], J. Appl. Electrochemistry, 1979(9),  369-379.
7. 桂長清, 包發(fā)新, 大容量電池歐姆內(nèi)阻的測定 [J], 電源技術(shù), 1984(6),  13-15.
8. 徐曼珍, 在線測量VRLA電池荷電態(tài)技術(shù)進展, 通信電源技術(shù)交流論文集,P.14-19, 1998 威海.
9. F.Huet, A review of impedance measurements for determination of the state-of-charge or state-of-health of secondary batteries [J] J.Power Sources ,
70(1998) 59-69.
10. 桂長清, 密封鉛蓄電池荷電態(tài)予測技術(shù) [J], 電池,2003 (5) 319-321.