蓄電池安全檢測技術(shù)的半荷內(nèi)阻測量方法

　　目前蓄電池安全檢測技術(shù)正面臨這樣的困境：容量放電試驗對電池有損，耗時費力且含有令人不安的運行風(fēng)險，不可多用;內(nèi)阻測試的判別準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早已為人熟知，放電曲線直觀展現(xiàn)了其電池在一定負載電流下其端電壓的變化規(guī)律，在忽略細節(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，可以用二折線法粗略表現(xiàn)一條電壓曲線;

　　4)電壓拐點前的放電時間和負載電流的乘積被定義為電池的實際容量。

　　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中，就能構(gòu)成一族曲線，簡稱“電壓曲線族”。圖1是用二折線法繪制的電壓曲線族。

　　蓄電池組在運行中電壓曲線族不斷變化，其變化規(guī)律為：投運初期各電池一致性較好，曲線族分布相對集中，長期運行中單體差異逐漸加大，曲線族分布也逐漸向左移動。圖1中電壓拐點的水平分布表征了電池性能的好壞，電壓拐點靠左的電池應(yīng)予關(guān)注或維護，按照規(guī)范，在維護后電壓拐點仍落后于80%標稱拐點的電池應(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，在維護實踐上價值不大，因為本來只需準確監(jiān)測到達電壓拐點的時間就足以解決一切問題，沒有逐點測繪整族曲線的必要。

　　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量的真實物理量，為討論方便忽略不同內(nèi)阻測量儀的差別，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)大量研究后公認有以下特點：

　　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，簡稱內(nèi)阻拐點，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”，定義為單體實存電量與本電池真實容量之比，屬單體變量;另外，定義實放電量與標稱容量之比為“標稱放電深度”，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)行了一個統(tǒng)一的標稱放電深度，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。

　　為了清晰地表達內(nèi)阻曲線族的變化規(guī)律，特地選擇了一個有代表意義的蓄電池組模型：模型組由3節(jié)標稱容量1000A·h的蓄電池組成，以實際容量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)值既肯定獲有實測數(shù)據(jù)的支持，也在刻意提示滿電下的內(nèi)阻分布確實存在與“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。

　　圖2中每條曲線都以100%真實荷電率和初始內(nèi)阻值為起點，以0%真實荷電率和初始內(nèi)阻的3倍值為終點，而以50%真實荷電率和初始內(nèi)阻的略大值為拐點。實測經(jīng)驗表明，用二折線法繪制的內(nèi)阻變化曲線與真實數(shù)據(jù)之間的誤差，不會影響本文的分析結(jié)果。

　　內(nèi)阻曲線族的實用意義比電壓曲線族大很多，實用意義大的關(guān)鍵在于具有實時可比性：因為在電壓曲線族中，有比較意義的是各電池到達終止電壓的時間，在圖1中表現(xiàn)為拐點之間的水平間距。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。在測量方法上，前者必須連續(xù)不間斷地采樣計時，而后者只需在指定時間一次采樣，特別是后者在不同時間下的各組采樣值具有非常有用的比對價值，即實時可比性。

　　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，反差是一種可計算的單一實時變量。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)意義和實用價值。

　　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粗略計算從0%標稱放電深度到60%標稱放電深度的各點反差數(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%標稱放電深度，原因是模型組中的600A·h單體已達過放點，其真實荷電率已經(jīng)等于0%。

　　表1 Fcr逐點計算表

　　圖3所示的單一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)阻反差之間的對應(yīng)規(guī)律：當放電深度超過最小真實容量單體的50%(本例已放300A·h)以后，F(xiàn)cr開始迅速增大，并通常在標稱放電深度的50%(已放500A·h)處達到最大值。

　　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，在達到一定反差之后，放電深度的大小只影響反差，而不降低準確率。

　　最后從圖3還可以看出，增強反差后的Fcr所包括的所有放電深度仍離過放區(qū)很遠，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)阻法及判別準確率

　　單從放電內(nèi)阻曲線族出發(fā)，至少可以設(shè)計出2種新的測試方法。

　　4.1 第一種可稱為“內(nèi)阻計時法”

　　該方法的思路和容量放電法類似，只不過由對電壓拐點(即終止電壓)的監(jiān)測計時，改為對內(nèi)阻拐點的監(jiān)測計時，由于電壓拐點對內(nèi)阻拐點存在2倍的依存關(guān)系，把內(nèi)阻拐點的計時值簡單乘以2，就可方便地推算出真實容量。

　　該方法的優(yōu)點是：比容量放電法安全，比浮充內(nèi)阻法準確。

　　該方法的缺點是：

　　1)內(nèi)阻監(jiān)測點不易把握，而監(jiān)測點不準依然會造成誤差過大甚至誤判;

　　2)仍然需要對內(nèi)阻拐點進行連續(xù)監(jiān)測和計時，也就是說，需要研制專門的內(nèi)阻監(jiān)測計時儀器。

　　以上2個缺點都需要在獲取大量實測數(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，對各單體電池作普通巡采，再依內(nèi)阻大小作出判斷。

　　從測試流程來看，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)阻法的判別準確率：

　　1)加大了內(nèi)阻反差增強后的反差使檢測更加容易，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)對內(nèi)阻有效排序反差小還不算致命弱點，適當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，這種缺陷無法靠簡單提高儀表的分辨能力來彌補。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，是提高判別準確率的關(guān)鍵因素。

　　3)與真實容量緊密掛鉤蓄電池維護專業(yè)最最關(guān)心的是蓄電池的真實容量，越能反映真實容量的方法越可靠。浮充內(nèi)阻與真實容量的關(guān)系可概括為：“高度相關(guān)但確有例外”，其判別準確率欠佳很容易理解。而內(nèi)阻拐點客觀存在于真實容量的50%點，已經(jīng)最大限度地與真實容量掛鉤。應(yīng)該說，正確排序及與真實容量的直接掛鉤這二點成為半荷內(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)，卻和真實容量無關(guān)，由此對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)阻對非化學(xué)內(nèi)阻的比例關(guān)系，這點對提高判別準確率有重要貢獻。

　　半荷內(nèi)阻法在本質(zhì)上僅僅是把測試工作點由浮充滿荷點改變到半荷點，這個在選擇工作點上的一小步改進，帶來以上4點很實惠的指標改善，最終獲得判別準確率上的一大飛躍。

　　從國內(nèi)外大量實測數(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，實現(xiàn)了長期苦苦追尋的、達到或超過容量放電法準確率的目標。以上結(jié)論已有初步實驗驗證。

　　5 半荷內(nèi)阻法實用關(guān)鍵問題探討

　　半荷內(nèi)阻法進入實用以前，明顯還有許多實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)范運行的蓄電池組，包括符合安裝規(guī)范和維護規(guī)范;

　　2)保證放電起始點為充分浮充以確保滿電;

　　3)內(nèi)阻儀表具有夠用的測量精度和良好的在線抗

　　干擾能力;

　　4)有另外的輔助監(jiān)測手段(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規(guī)范相一致，并無特別之處。強調(diào)約束條件無非是想提請注意：任何超越以上條件的測試，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(準確率最可信)的目標，也可以追求最小放電深度(測試時間最短)的目標，關(guān)鍵是滿足維護需求和不斷總結(jié)完善?？桃庾非蠓烹娚疃葹榱?甚至固執(zhí)到認為只要放電就沒有新價值的思維方式都極不科學(xué)。

　　在此，需要理性地思考“與真實容量掛鉤”的真正含義：在真實容量為未知數(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，在計算公式中才能出現(xiàn)真實容量的數(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，已經(jīng)有損蓄電池組安全;而半荷放電法在理論上總是遠離過放危險區(qū)，還可保留部分電量以備不時之需。

　　5.3 放電深度的執(zhí)行

　　放電電流可大可小，可使用專用負載，也可切斷交流供電使用真實負載;電量計算可以人工計時，也可采用電壓自動監(jiān)測;總之，對放電計量沒有精度要求，條件極為寬松。在驗證實驗中，曾以監(jiān)測單體蓄電池電壓小于2.00V來把握放電深度，準確率已很理想。特別需要指出一點：最佳方案應(yīng)該是結(jié)合原有規(guī)程中的“定期維護性放電制度”，不增加工作量，也無須修訂規(guī)程，只需附帶補充一項測試，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儀表精度的要求，這就是說現(xiàn)有儀表完全夠用;一臺能在浮充內(nèi)阻測試中表現(xiàn)較好的內(nèi)阻測試儀(注意：僅僅判別準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技術(shù)的演變

　　蓄電池組放電的內(nèi)阻曲線族為我們補充了以前所不熟悉的一部分知識，新知識可以帶來新技術(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，則會帶來關(guān)于電池的更完整的知識。

　　有趣的是還能夠從壓阻曲線族上看到電池測試技術(shù)的演變軌跡，由此也可加深對半荷內(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，必須加附測酸配合;

　　2)因密封電池?zé)o法測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;

　　3)試圖縮短測試時間的快速容量測試法，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，終因電壓反差小、缺少準確度而流產(chǎn);

　　4)另辟蹊徑的浮充內(nèi)阻法，位于內(nèi)阻曲線的左起點，方便實用，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，準確率高，適應(yīng)范圍寬，操作安全等優(yōu)點。

　　7 結(jié)語

　　內(nèi)阻數(shù)據(jù)是蓄電池非常寶貴的一項信息資源。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)阻兩個獨立的電學(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)阻法對此作了大膽嘗試，其核心是以主動放出部分電量為代價，換取內(nèi)阻反差的“拉開和排序”，以獲得滿意的判別準確率，希望本文的論題能為蓄電池安全檢測開辟一條新的學(xué)術(shù)思路有所助益。