阀控铅酸蓄电池内阻监测技术研究

摘 要：本文对内阻测试的直流方法和交流方法进行了研究，针对两种方法在线准确测量的困难，提出了采用数字滤波器方法来克服测量干扰，获得了准确、稳定的内阻数据。
关键词：内阻测试；数字滤波器

引言
对于阀控密封铅酸(VRLA)蓄电池，测量比重和直接观察的方法都难以实施，使用者很希望通过一种仪器来直接测量蓄电池的劣化程序(SOH)和荷电状态(SOC)。实际使用中，能够直接测量的参数除电流、电压外，蓄电池内阻(或电导)是可以直接测量的一个参数，内阻(或电导)测试仪是一种普遍应用的测量工具。
测量电池内阻，能够立即判断严重失效的电池或存在连接问题的电池，内阻的小幅度增加可能说明电池的劣化。由于VRLA蓄电池劣化机理的复杂性和失效模式的不同，内阻增加与劣化程度的数值对应关系需要进一步研究。

内阻在线测量方法研究
备用场合使用的VRLA电池一般容量很大，在几十到数千安时，电池的内阻值很小。随电池容量的增大，内阻减小，例如3000Ah的电池，其内阻值一般在50~70mW。由于阻值低，电池正负极输出直流电压，要准确测量内阻是有一定难度的，尤其是在线测量时电池端存在充电纹波和负载变动时的动态变化。
直流方法
在电池组两端接入放电负载，测量电压的变化(U1-U2)和电流值(I)，根据欧姆定律计算电池的内阻(R)。
蓄电池从浮充状态切换到放电状态，典型的电压跌落过程如图1所示。停止充电后，电池回落到某平衡电位，接入放电负载后，电压发生阶跃变化。这样，内阻的计算不能使用浮充电压和放电工作电压的差值来计算，使用开路平衡电位与放电工作电压的差值时也不够稳定。因此，在放电过程改变电流可以克服平衡电位不稳定的因素。采用式(1)，根据在不同电流(I1、I2)下的电压变化(U1-U2)来计算内阻值。
(1)
由于内阻值很小，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带来困难。由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测量中，直流方法所得数据的重复性较差、准确度很难达到10%以上。
交流方法
交流方法相对直流法要简单。
当使用受控电流时，艻 = Imax Sin(2pft),产生的电压响应为：
芕 = Vmax Sin(2pft +f) (2)
若使用受控电压激励，芕=Vmax Sin(2pft ),产生的电流响应为：
芕 = Vmax Sin(2pft-f) (3)
两种情况的阻抗均为：
(4)
阻抗是与频率有关的复阻抗，其模 Z= Vmax/Imax, 相角为f。
一般情况下，激励引起的电压幅值变化小于10mV，这样能保证阻抗测量的线性。使用方波在技术实现上更为简单， 通过改变方波的频率可以测试电池的阻抗谱。
理论上，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。
R = Vav/Iav (5)
式中，Vav为检测到交流信号的平均值；Iav为馈入交流信号的平均值。
在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在mW或mW级，因此，产生的电压变化幅值也在mW级，信号容易受到干扰。尤其是在线测量时，会受到充电机或用电负载的影响。工频和射频干扰也影响读数。
采用同步检波方法可以部分克服外界干扰，获得比较稳定的内阻数据。同步检波电路如图2所示，由时钟触发同步激励信号和检波电路的相位。
基于数字滤波器的内阻测量技术
由于直流方法和交流方法较难得到高准确度的数值，本研究中采用了数字滤波技术提高测量准确度。
在线测量主要存在以下因素影响测量：测量线耦合的高频干扰信号；50Hz工频干扰；充电机低频纹波；充电或放电的电压缓变；负载的不规则变动。
对于高频干扰，一方面通过硬件低通滤波削减，另一方面，在有效的A/D采样频率下进行平滑滤波处理。有效信号组成如图3所示。
本研究中设计了专用的激励装置，向电池组馈入受控交流信号，测量电路采集被测电池的交流电压信号。为消除上述影响因素，采用了IIR数字滤波技术。一般化的IIR滤波器如式(6)表示

(6)
IIR的差分方程表示为

(7)
采用直接方式即可实现差分方程运算。图4是采用椭圆滤波器设计的带通滤波器，M=N=11，具有良好的下降斜率，在通带和阻带内均为等纹波。表1是采用IIR滤波器量程为50mW的实测数据，表明该方法具有良好的线性和重复性。

不同充电状态对内阻值的影响
蓄电池处于不同的状态，其内阻值也有很大的差异。图5中数值较高的数据是在浮充状态下测得的，停止浮充、转入放电后电池内阻变小。变化幅度均匀，平均为6.5%，可以解释为浮充状态下极化内阻的影响。
图6是接近10小时率放电时的电压变化和内阻变化曲线。测试VRLA电池型号为GFM-1000Ah，投运时间为3年。由图6的数据可知，电池进入放电状态后，内阻由浮充状态的值下降到某稳定值，此数值在电池放电的平台期稳定上升，放电容量达到80%后，内阻急剧上升。转入充电后，内阻很快恢复到正常数值。

VRLA蓄电池内阻监测技术总结
内阻受包括物理连接、电解液离子导电性和电极表面活性物质的活性3方面因素的影响，内阻值与所采用的仪器和测量方法有关，内阻的变化可以当作电池性能或容量变化的指示。
内阻与SOH关系分析的结论：SOC和SOH无疑影响电池内阻；环境温度亦影响电池内阻，尤其是低频下的电化学动力学过程受到扩散控制；大容量电池的欧姆内阻很小，其变化幅度就更小，需要相当的测试手段；不能直接用内阻数据来计算SOH，而且建立标准也很困难。部分电池的内阻变化明显，但此时的电池容量仍可能保持在良好水平；劣化严重的电池其内阻变化数值将超过某范围。■

参考文献
1 张纪元. 阀控铅酸蓄电池的使用和维护.电池. Vol:27,No.6, 1997:278-281
2 胡信国，毛贤仙. 阀控式密封铅酸蓄电池的进展. 电源技术. Vol 24 No 4, pp.230-237,2000
3 刘军贤，杨秀敏.阀控式密封铅酸蓄电池早期失效问题的分析与研究. CIBF. Beijing,1999