蓄電池容量的半荷內(nèi)阻測(cè)量方法

蓄電池容量的半荷內(nèi)阻測(cè)量方法

1 引言 
目前蓄電池安全檢測(cè)技術(shù)正面臨這樣的困境：容量放電試驗(yàn)對(duì)電池有損，耗時(shí)費(fèi)力且含有令人不安的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，不可多用；內(nèi)阻測(cè)試的判別準(zhǔn)確率欠佳而難以完全信賴。能否尋找到一種能把容量放電法的高準(zhǔn)確率和內(nèi)阻法的方便安全集中于一身的新方法？這就是介于二者之間、又兼具二者之長(zhǎng)的“半荷內(nèi)阻法”。本文著重討論半荷內(nèi)阻法的理論依據(jù)和實(shí)用關(guān)鍵。 1 電池組放電的電壓曲線族 
單體電池的放電曲線作為電池最重要的性能指標(biāo)早已為人熟知，放電曲線直觀展現(xiàn)了其電池在一定負(fù)載電流下其端電壓的變化規(guī)律，在忽略細(xì)節(jié)后可表述為： 
1）終止電壓前的平穩(wěn)緩慢下降； 
2）終止電壓后的快速下跌； 
3）終止電壓為上述二線段之間的拐點(diǎn)，可以用二折線法粗略表現(xiàn)一條電壓曲線； 
4）電壓拐點(diǎn)前的放電時(shí)間和負(fù)載電流的乘積被定義為電池的實(shí)際容量。 
電池最終都以串聯(lián)方式成組使用，把串聯(lián)電池組各電池的放電曲線繪制在同一坐標(biāo)中，就能構(gòu)成一族曲線，簡(jiǎn)稱“電壓曲線族”。是用二折線法繪制的電壓曲線族。

蓄電池組在運(yùn)行中電壓曲線族不斷變化，其變化規(guī)律為：投運(yùn)初期各電池一致性較好，曲線族分布相對(duì)集中，長(zhǎng)期運(yùn)行中單體差異逐漸加大，曲線族分布也逐漸向左移動(dòng)。圖1中電壓拐點(diǎn)的水平分布表征了電池性能的好壞，電壓拐點(diǎn)靠左的電池應(yīng)予關(guān)注或維護(hù)，按照規(guī)范，在維護(hù)后電壓拐點(diǎn)仍落后于80％標(biāo)稱拐點(diǎn)的電池應(yīng)予更換。 
需要說明的是：以上電壓曲線族的概念只適合理論分析，在維護(hù)實(shí)踐上價(jià)值不大，因?yàn)楸緛碇恍铚?zhǔn)確監(jiān)測(cè)到達(dá)電壓拐點(diǎn)的時(shí)間就足以解決一切問題，沒有逐點(diǎn)測(cè)繪整族曲線的必要。 
2 蓄電池組放電的內(nèi)阻曲線族 
等效內(nèi)阻是電池兩極柱上可直接測(cè)量的真實(shí)物理量，為討論方便忽略不同內(nèi)阻測(cè)量?jī)x的差別，那么以繪制電壓曲線族的同樣方法，也可繪制出蓄電池組放電下的內(nèi)阻曲線族。 
放電狀態(tài)下的內(nèi)阻變化規(guī)律不象電壓變化規(guī)律那樣為人熟悉，但經(jīng)大量研究后公認(rèn)有以下特點(diǎn)： 
1）50％荷電率以上變化很小； 
2）50％荷電率以下快速上升； 
3）放電終止前，內(nèi)阻值可能上升為初始內(nèi)阻值的2～4倍； 
4）50％荷電率為內(nèi)阻曲線的拐點(diǎn)，簡(jiǎn)稱內(nèi)阻拐點(diǎn)，可以用二折線法粗略表現(xiàn)一條內(nèi)阻曲線。 
這里所述的“荷電率”，定義為單體實(shí)存電量與本電池真實(shí)容量之比，屬單體變量；另外，定義實(shí)放電量與標(biāo)稱容量之比為“標(biāo)稱放電深度”，屬全組變量。需注意因二者的定義不同，其數(shù)值變化方向相反。這樣在放電過程中，全蓄電池組執(zhí)行了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)稱放電深度，其數(shù)值越放越大，而執(zhí)行中各單體電池的荷電率卻各不相同，其數(shù)值越放越小。 
為了清晰地表達(dá)內(nèi)阻曲線族的變化規(guī)律，特地選擇了一個(gè)有代表意義的蓄電池組模型：模型組由3節(jié)標(biāo)稱容量1000A·h的蓄電池組成，以實(shí)際容量1000、800、600A·h分別代表電池組內(nèi)好、中、壞3種典型類型，其浮充內(nèi)阻分別為0.20mΩ、0.20mΩ、0.27mΩ。請(qǐng)注意1000A·h與800A·h的內(nèi)阻都等于0.20mΩ，這一數(shù)值既肯定獲有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持，也在刻意提示滿電下的內(nèi)阻分布確實(shí)存在與“內(nèi)阻大容量小”相關(guān)性規(guī)律不符的例外。再假設(shè)放電終止內(nèi)阻為初始內(nèi)阻的3倍，圖2是按以上參數(shù)用二折線法繪制的內(nèi)阻曲線族。 

放電的二折線法內(nèi)阻曲線族 " hspace=0 src="/images/Article/a6f0f353-deb0-4e7e-975d-782f15063f4d/Image00002.jpg" width=360 border=0>
圖2中每條曲線都以100％真實(shí)荷電率和初始內(nèi)阻值為起點(diǎn)，以0％真實(shí)荷電率和初始內(nèi)阻的3倍值為終點(diǎn)，而以50％真實(shí)荷電率和初始內(nèi)阻的略大值為拐點(diǎn)。實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)表明，用二折線法繪制的內(nèi)阻變化曲線與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的誤差，不會(huì)影響本文的分析結(jié)果。 
內(nèi)阻曲線族的實(shí)用意義比電壓曲線族大很多，實(shí)用意義大的關(guān)鍵在于具有實(shí)時(shí)可比性：因?yàn)樵陔妷呵€族中，有比較意義的是各電池到達(dá)終止電壓的時(shí)間，在圖1中表現(xiàn)為拐點(diǎn)之間的水平間距。而在內(nèi)阻曲線族中，有比較意義的是不同放電深度下的不同內(nèi)阻值，在圖2中表現(xiàn)為某水平值下曲線之間的垂直間距。在測(cè)量方法上，前者必須連續(xù)不間斷地采樣計(jì)時(shí)，而后者只需在指定時(shí)間一次采樣，特別是后者在不同時(shí)間下的各組采樣值具有非常有用的比對(duì)價(jià)值，即實(shí)時(shí)可比性。 
如果說內(nèi)阻曲線族還不夠直觀，可以借鑒圖象處理的思路，引入內(nèi)阻分布“反差”的概念，反差是一種可計(jì)算的單一實(shí)時(shí)變量。反差概念的引入，將賦予內(nèi)阻曲線族比電壓曲線族更為積極的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。 
3    電池組放電下內(nèi)阻分布的反差曲線 
在圖象處理中，反差大意味著圖象“鮮明”，反差小意味著圖象“混沌”。同樣，就電池檢測(cè)的目的而言，反差大意味著內(nèi)阻分布“鮮明”，這必然意味著判別準(zhǔn)確率的提高。 
可以把內(nèi)阻反差Fcr定義為： 
Fcr=(Rmax－Rmin)/Rmin（1） 
式中：Rmax為內(nèi)阻分布中的最大值； 
Rmin為內(nèi)阻分布中的最小值。 
那么根據(jù)圖2粗略計(jì)算從0％標(biāo)稱放電深度到60％標(biāo)稱放電深度的各點(diǎn)反差數(shù)值列于表1，圖3為依據(jù)表1數(shù)據(jù)繪出的Fcr單一曲線，其中表1數(shù)據(jù)和圖3曲線都停止于60％標(biāo)稱放電深度，原因是模型組中的600A·h單體已達(dá)過放點(diǎn)，其真實(shí)荷電率已經(jīng)等于0％。

單一Fcr曲線比內(nèi)阻曲線族更加直觀的反映了放電深度與內(nèi)阻反差之間的對(duì)應(yīng)規(guī)律：當(dāng)放電深度超過最小真實(shí)容量單體的50％（本例已放300A·h）以后，F(xiàn)cr開始迅速增大，并通常在標(biāo)稱放電深度的50％（已放500A·h）處達(dá)到最大值。
另外從圖3可以看出，若以足夠判別使用的Fcr值（例如Fcr=1.0）為邊界條件，放電深度的滿足范圍大大放松，這意味著完全不需要精確控制放電深度；換句話說，在達(dá)到一定反差之后，放電深度的大小只影響反差，而不降低準(zhǔn)確率。 
最后從圖3還可以看出，增強(qiáng)反差后的Fcr所包括的所有放電深度仍離過放區(qū)很遠(yuǎn)，這是半荷法比容量放電法安全的科學(xué)依據(jù)。 
4    半荷內(nèi)阻法及判別準(zhǔn)確率 
單從放電內(nèi)阻曲線族出發(fā)，至少可以設(shè)計(jì)出2種新的測(cè)試方法。 
4.1    第一種可稱為“內(nèi)阻計(jì)時(shí)法” 
該方法的思路和容量放電法類似，只不過由對(duì)電壓拐點(diǎn)（即終止電壓）的監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)，改為對(duì)內(nèi)阻拐點(diǎn)的監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)，由于電壓拐點(diǎn)對(duì)內(nèi)阻拐點(diǎn)存在2倍的依存關(guān)系，把內(nèi)阻拐點(diǎn)的計(jì)時(shí)值簡(jiǎn)單乘以2，就可方便地推算出真實(shí)容量。 
該方法的優(yōu)點(diǎn)是：比容量放電法安全，比浮充內(nèi)阻法準(zhǔn)確。 
該方法的缺點(diǎn)是： 
1）內(nèi)阻監(jiān)測(cè)點(diǎn)不易把握，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)不準(zhǔn)依然會(huì)造成誤差過大甚至誤判；                                    
2）仍然需要對(duì)內(nèi)阻拐點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和計(jì)時(shí)，也就是說，需要研制專門的內(nèi)阻監(jiān)測(cè)計(jì)時(shí)儀器。 
以上2個(gè)缺點(diǎn)都需要在獲取大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)后方可完善，本文不再深入討論。 
4.2    第二種是“半荷內(nèi)阻法” 
該方法的思路是：在電池組粗略地執(zhí)行半荷放電
后，對(duì)各單體電池作普通巡采，再依內(nèi)阻大小作出判斷。 
從測(cè)試流程來看，半荷內(nèi)阻法僅僅增加了半荷放電，其他操作方法和要求與浮充內(nèi)阻法完全相同。以下分析是哪些因素提高了半荷內(nèi)阻法的判別準(zhǔn)確率： 
1）加大了內(nèi)阻反差增強(qiáng)后的反差使檢測(cè)更加容易，也使判讀更加可信?？尚蜗蟮匕寻牒煞烹娎斫鉃槟z片照相技術(shù)中的“顯影”過程，顯然，充分顯影的照片圖象最清晰。 
2）對(duì)內(nèi)阻有效排序反差小還不算致命弱點(diǎn)，適當(dāng)提高儀表分辨能力就可以克服；但浮充內(nèi)阻客觀存在的部分無序性，是造成混亂和誤判的根源，這種缺陷無法靠簡(jiǎn)單提高儀表的分辨能力來彌補(bǔ)。半荷放電使內(nèi)阻值正確排序，有效糾正浮充內(nèi)阻的初期無序性，是提高判別準(zhǔn)確率的關(guān)鍵因素。 
3）與真實(shí)容量緊密掛鉤蓄電池維護(hù)專業(yè)最最關(guān)心的是蓄電池的真實(shí)容量，越能反映真實(shí)容量的方法越可靠。浮充內(nèi)阻與真實(shí)容量的關(guān)系可概括為：“高度相關(guān)但確有例外”，其判別準(zhǔn)確率欠佳很容易理解。而內(nèi)阻拐點(diǎn)客觀存在于真實(shí)容量的50％點(diǎn)，已經(jīng)最大限度地與真實(shí)容量掛鉤。應(yīng)該說，正確排序及與真實(shí)容量的直接掛鉤這二點(diǎn)成為半荷內(nèi)阻法最誘人之處。 4）減小非化學(xué)內(nèi)阻的影響電池等效內(nèi)阻是所有電化學(xué)內(nèi)阻和非化學(xué)內(nèi)阻的等效總和，非化學(xué)內(nèi)阻也攜帶有重要信息（如內(nèi)匯流條融焊缺陷、或腐蝕裂縫等），卻和真實(shí)容量無關(guān)，由此對(duì)正確提取容量信息造成很大困難，這也是浮充內(nèi)阻形成初期無序性的主要根源。在現(xiàn)有儀表尚不能分離不同內(nèi)阻的客觀前提下，半荷放電可顯著改善電化學(xué)內(nèi)阻對(duì)非化學(xué)內(nèi)阻的比例關(guān)系，這點(diǎn)對(duì)提高判別準(zhǔn)確率有重要貢獻(xiàn)。 
半荷內(nèi)阻法在本質(zhì)上僅僅是把測(cè)試工作點(diǎn)由浮充滿荷點(diǎn)改變到半荷點(diǎn)，這個(gè)在選擇工作點(diǎn)上的一小步改進(jìn)，帶來以上4點(diǎn)很實(shí)惠的指標(biāo)改善，最終獲得判別準(zhǔn)確率上的一大飛躍。 
從國(guó)內(nèi)外大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，無論采用哪種原理或哪家儀表，浮充內(nèi)阻法的單體準(zhǔn)確率普遍停留在90％左右難以突破，加上單節(jié)誤判須算全組誤判的行業(yè)判則（木桶判則），整組準(zhǔn)確率一般也就在80％左右，考慮到后備蓄電池組的重要性，這樣的準(zhǔn)確率難以信賴應(yīng)屬正常合理。 
半荷內(nèi)阻法恰倒好處地糾正了這約20％的誤判，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期苦苦追尋的、達(dá)到或超過容量放電法準(zhǔn)確率的目標(biāo)。以上結(jié)論已有初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 
5    半荷內(nèi)阻法實(shí)用關(guān)鍵問題探討 
半荷內(nèi)阻法進(jìn)入實(shí)用以前，明顯還有許多實(shí)際問題需要探討解決。 
5.1    適用約束條件 
半荷內(nèi)阻法很自然的要求以下約束條件： 
1）正常而規(guī)范運(yùn)行的蓄電池組，包括符合安裝規(guī)范和維護(hù)規(guī)范； 
2）保證放電起始點(diǎn)為充分浮充以確保滿電； 
3）內(nèi)阻儀表具有夠用的測(cè)量精度和良好的在線抗干擾能力； 
4）有另外的輔助監(jiān)測(cè)手段（如電壓）以預(yù)防單體過放。 
這些約束條件完全與正常的維護(hù)規(guī)范相一致，并無特別之處。強(qiáng)調(diào)約束條件無非是想提請(qǐng)注意：任何超越以上條件的測(cè)試，都可能超越半荷法的適用范圍，產(chǎn)生與本文不符的未知結(jié)果。 
5.2    放電深度的選擇 
可以追求最大反差（準(zhǔn)確率最可信）的目標(biāo)，也可以追求最小放電深度（測(cè)試時(shí)間最短）的目標(biāo)，關(guān)鍵是滿足維護(hù)需求和不斷總結(jié)完善?？桃庾非蠓烹娚疃葹榱?甚至固執(zhí)到認(rèn)為只要放電就沒有新價(jià)值的思維方式都極不科學(xué)。 
在此，需要理性地思考“與真實(shí)容量掛鉤”的真正含義：在真實(shí)容量為未知數(shù)的條件下，不放電等于不掛鉤，也就是說必須靠多少放出一些電量才能構(gòu)建二者的函數(shù)關(guān)系，在計(jì)算公式中才能出現(xiàn)真實(shí)容量的數(shù)學(xué)因子。 
更不應(yīng)該以半荷法離不開放電的理由而忽視與容量放電法的本質(zhì)區(qū)別：容量放電法在理論上要求把至少一節(jié)蓄電池放電到過放臨界點(diǎn)，已經(jīng)有損蓄電池組安全；而半荷放電法在理論上總是遠(yuǎn)離過放危險(xiǎn)區(qū)，還可保留部分電量以備不時(shí)之需。 
5.3    放電深度的執(zhí)行                                                                                                                         放電電流可大可小，可使用專用負(fù)載，也可切斷交流供電使用真實(shí)負(fù)載；電量計(jì)算可以人工計(jì)時(shí)，也可采用電壓自動(dòng)監(jiān)測(cè)；總之，對(duì)放電計(jì)量沒有精度要求，條件極為寬松。在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，曾以監(jiān)測(cè)單體蓄電池電壓小于2.00V來把握放電深度，準(zhǔn)確率已很理想。特別需要指出一點(diǎn)：最佳方案應(yīng)該是結(jié)合原有規(guī)程中的“定期維護(hù)性放電制度”，不增加工作量，也無須修訂規(guī)程，只需附帶補(bǔ)充一項(xiàng)測(cè)試，就可以收到事半功倍的效果。 
5.4    儀表的精度要求 
反差的加大降低了對(duì)儀表精度的要求，這就是說現(xiàn)有儀表完全夠用；一臺(tái)能在浮充內(nèi)阻測(cè)試中表現(xiàn)較好的內(nèi)阻測(cè)試儀（注意：僅僅判別準(zhǔn)確率欠佳絕非儀表本身之過），應(yīng)該足以勝任半荷內(nèi)阻法的測(cè)試任務(wù)，無論它原來是哪種原理或哪家品牌。 
6    從蓄電池組的壓阻曲線族看蓄電池檢測(cè)技術(shù)的演變 
蓄電池組放電的內(nèi)阻曲線族為我們補(bǔ)充了以前所不熟悉的一部分知識(shí)，新知識(shí)可以帶來新技術(shù)的突破，以后的電池說明書應(yīng)該增加內(nèi)阻曲線的數(shù)據(jù)和圖表。如果把圖1的電壓曲線族和圖2的內(nèi)阻曲線族合二而一，組成新的“壓阻曲線族”如圖4所示，則會(huì)帶來關(guān)于電池的更完整的知識(shí)。 
有趣的是還能夠從壓阻曲線族上看到電池測(cè)試技術(shù)的演變軌跡，由此也可加深對(duì)半荷內(nèi)阻法本質(zhì)的理解： 
1）最古老的開路電壓法，位于電壓曲線的左起點(diǎn)，必須加附測(cè)酸配合； 
2）因密封電池?zé)o法測(cè)酸而不得不器重的容量放電法，位于電壓曲線的右半部，必須連續(xù)監(jiān)測(cè)； 
3）試圖縮短測(cè)試時(shí)間的快速容量測(cè)試法，位于電壓曲線的左半部，意在通過大電流大斜率，外延推算電壓拐點(diǎn)，終因電壓反差小、缺少準(zhǔn)確度而流產(chǎn)； 
4）另辟蹊徑的浮充內(nèi)阻法，位于內(nèi)阻曲線的左起點(diǎn)，方便實(shí)用，卻因初始內(nèi)阻反差小、且無法克服10％的誤判而始終難以完全信賴； 
5）本文的半荷內(nèi)阻法，恰當(dāng)占據(jù)了內(nèi)阻曲線族中部的寬廣區(qū)域，直觀展現(xiàn)其數(shù)據(jù)反差大，準(zhǔn)確率高，適應(yīng)范圍寬，操作安全等優(yōu)點(diǎn)。 
7    結(jié)語(yǔ) 
內(nèi)阻數(shù)據(jù)是蓄電池非常寶貴的一項(xiàng)信息資源。密封蓄電池可看作物理學(xué)上的黑匣子，黑匣子上的兩極柱僅僅能提供電壓和內(nèi)阻兩個(gè)獨(dú)立的電學(xué)物理參數(shù)，其中內(nèi)阻比電壓更加反映蓄電池內(nèi)部的真實(shí)狀況，這樣寶貴的資源卻至今遲遲未能得到合理的開發(fā)和利用。半荷內(nèi)阻法對(duì)此作了大膽嘗試，其核心是以主動(dòng)放出部分電量為代價(jià)，換取內(nèi)阻反差的“拉開和排序”，以獲得滿意的判別準(zhǔn)確率，希望本文的論題能為蓄電池安全檢測(cè)開辟一條新的學(xué)術(shù)思路有所助益。

  來源:xiangxueqin