1、目 錄一.概述31.電池結構及工作原理31.1.電池結構圖31.2.工作原理41.3.鉛酸蓄電池電化學原理41.4.電池技術特性5二.測試原理71.蓄電池剩余容量放電和充電過程的數學模型72.蓄電池剩余容量在線測試儀的研制方案83.蓄電池剩余容量在線測試儀的實現9三.測試方式比較101.離線式放電法技術分析102.在線評估式放電法技術分析103.全在線放電技術分析113.1.在線放電結束后，自動完成在線充電恢復等電位連接133.2.在線放電“無縫連接”技術134.在線放電技術與當前放電技術對比分析144.1.與離線放電技術對比分析144.2.與在線評估式放電技術對比分析15四.測試方法151.

2、半荷內阻法151.1.電池組放電的電壓曲線族151.2.蓄電池組放電的內阻曲線族161.3.電池組放電下內阻分布的反差曲線191.4.半荷內阻法及判別準確率201.5.半荷內阻法實用關鍵問題探討221.6.從蓄電池組的壓阻曲線族看蓄電池檢測技術的演變241.7.結語252.內阻法252.1.內阻法預測剩余容量的實施方案262.2.高噪聲情況下在線測量方法的改進272.3.實驗結果29五.測試設備29六.解決方法401.活性劑401.1.功能原理401.2.產品特點402.安裝鉛酸電池再生器解決硫化的最佳利器412.1.再生器的功能原理412.2.再生器的特點422.3.再生器使用方法422.4

3、.再生器注意事項42第 2 頁 共 44 頁一. 概述1. 電池結構及工作原理1.1. 電池結構圖蓄電池結構圖電池槽、蓋選用超強阻燃ABS塑料；提手便于搬運；正負極群板柵采用特殊的鉛鈣錫鋁四元合金，抗伸延，耐腐蝕，析氫過電位高；微細玻璃纖維隔板優選隔板；匯流排耐大電流沖擊；端子內嵌銅芯，使其電阻最小化，極柱密封采用瑞士專利技術；安全閥具有耐酸和良好的彈性恢復能力。1.2. 工作原理閥控式密封鉛酸蓄電池在充放電過程中的化學反應如下：放電PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4充電(二氧化鉛) (硫酸) (海綿狀鉛) (硫酸鉛) (水) (硫酸鉛)正極活物質

4、電解液 負極活物質 正極活物質 電解液 負極活物質放電時：正極板的二氧化鉛和負極板的海綿狀鉛與電解液中的硫酸反應，生成硫酸鉛，電解液中的硫酸濃度降低；充電時：硫酸鉛通過氧化還原反應分恢復成二氧化鉛和海綿狀鉛，電解液中的硫酸濃度增大。1.3. 鉛酸蓄電池電化學原理在儲電狀態下，正極板是深棕色的二氧化鉛，負極板是海綿狀灰色的純鉛，電解液是硫酸。蓄電池放電時，正極與負極都變成硫酸鉛，電解液中硫酸濃度變稀，充電時，正極變回二氧化鉛，負極變回純鉛。正極、負極在充放電過程中參加氧化還原反應。密封鉛酸蓄電池由于運行時少維護，無酸霧溢出，越來越多應用在電信系統中。密封鉛酸蓄電池分為電極方式和陰極吸收方式。1.

5、3.1. 電極方式這種電池內裝一對輔助電極，一個吸收氧氣，一個吸收氫氣，也可以只裝一個吸收氫氣的輔助電極。吸收氫氣的輔助電極上載有使氫易于氧化的催化劑。當蓄電池內部有氫氣產生時，被吸收吸氫輔助電極上，構成一個氫電極，與二氧化鉛形成一個放電過程，以水的形式回到電池。1.3.2. 陰極吸收方式正極在充電時產生的氧氣，通過隔膜擴散到負極，與活性物質鉛反應，形成PbO，進而與硫酸反應生成硫酸鉛和水。從而無氫、氧從電池中析出。1.4. 電池技術特性1.4.1. 放電特性放電容量與放電電流關系：放電電流越小放電容量越大；反之，放電電流越大放電容量越小。放電容量與溫度關系：溫度降低放電容量減少。放電特性圖圖

6、4-2為25溫度下0.1C(A)-2.5C(A)的放電電流放電至終止電壓時的定電流放電特性圖。可以看出，10小時率、3小時率、1小時率的放電特性均較為理想。放電特性圖放電容量與環境溫度的關系圖放電容量與環境溫度的關系圖1.4.2. 充電特性浮充充電應解決的兩個問題：補償電池因自放電而產生的容量損失避免過充造成電池壽命的縮短充電特性圖充電特性圖蓄電池放電后的回復充電也可以采用浮動充電方法。上圖是按10小時率額定容量50及100放電后的定電流0.1C10(A)定電壓（2.23V）充電特性圖。放電后的蓄電池充滿電所需時間隨放電量、充電初期電流、溫度而變化。如圖中100放電后的電池在25以0.1C10

7、（A）、2.23V/單格進行限流恒壓充電，24小時左右可以充電至放電量100以上。二. 測試原理1. 蓄電池剩余容量放電和充電過程的數學模型 鉛酸蓄電池剩余容量（SOC）與蓄電池端電壓、充放電電流、初始電液比重、環境溫度等物理化學參數之間的關系可以用數學模型表示，基于這個數學模型，就可以通過測量蓄電池充放電過程中的各個物理參數得知蓄電池的當前容量。數學模型表達式如下： U放 =Ur - axLOG(1+DOD/SOC)- bxLOG(1+I/(Ahx(1+K(T-25)xDODx100) -I/(Ahx(1+K(T-25)xcx(0.01x(25-T)xDOD a：由于反應物和生成物比例改變引

8、起的電壓變化的常數，0.10.2； b：電化學極化項常數，0.10.15； c：內阻極化項常數，0.080.15； U充 = Ur+ dxLOG(1+SOC/DOD)+ exLOG(I/(Ahx(1+K(T-25)xSOCx100)   +I/(Ahx(1+K(T-25)xfx(0.01x(25-T)xDOD d：由于反應物和生成物比例改變引起的電壓變化的常數，0.10.2； e：電化學極化項常數，0.20.25； f：內阻極化項常數，0.150.25； JK SOC-I蓄電池剩余容量測試儀就是根據上述蓄電池剩余容量放電和充電過程的數學模型研制的。 2. 蓄電池剩余容量在線

9、測試儀的研制方案 從數學模型可以看出幾個主要物理量對SOC的影響較大： 1）不同充放電率I/Ah           2）不同初始電壓Ur       3）不同溫度T 溫度主要影響蓄電池的額定容量。 溫度對額定容量的影響：Ca=Cr×1+K（T-25） Ca：任何溫度下的蓄電池實際容量； Cr：蓄電池在25下的額定容量； T：實際溫度； K：溫度系數，溫度每變化1，SOC變化約為0.5%0.8%。 溫度對額定容量的影響表現在對

10、充放電率I/Ah的影響，溫度降低或增加20，充放電率增大或減小10% 16%。一般蓄電池的工作溫度最多在25±10 變化，因此，充放電率也只在 ±（5% 8%）變化。對SOC的影響就更小。 可以看出溫度對SOC的影響比起I/Ah、Ur要小得多。 從蓄電池端電壓與SOC之間關系的數學模型分析，SOC除了與端電壓有關以外，還與蓄電池充放電率、初始電動勢、溫度等物理量有關，因此在設計蓄電池容量在線測試儀時，必須考慮到這些物理量的輸入方式。綜合考慮上述因素，擬采用下述方案： 1）用嵌入式微處理器芯片作為儀器的核心器件，由它按蓄電池端電壓與SOC之間關系數學模型完成主要計算。 2）有

11、兩個模擬量需實測：蓄電池電壓、環境溫度。為降低成本，擬采用串行數據輸出的 A/D轉換芯片。 3）蓄電池充放電率、初始電動勢擬采用小鍵盤輸入。 4）采用128×64LCD液晶顯示器顯示輸入量及計算出的SOC。 5）為便于攜帶供電方式擬采用2種方式：電池或15V穩壓電源 。 3. 蓄電池剩余容量在線測試儀的實現 按上述方案設計的蓄電池容量在線測試儀功能框圖如圖1所示。 電路說明： 1）微處理器采用AT89S52單片機，此單片機低成本，低功耗，高性能，易擴充，并有8K程序存儲器，SOC的計算及鍵盤輸入、LCD顯示等控制都由此芯片完成。 2）溫度檢測采用了DALLAS的DS18B20。此芯片

12、具有溫度傳感器和A/D轉換功能，轉換后的串行數據通過one _wire(一線)與CPU通訊。測量溫度范圍從-55 到+125 ，芯片轉換精度為0.0625。 3）端電壓采樣采用電壓轉頻率芯片LM331，調到轉換精度為1/1 000V，即調成1V電壓轉換為1 000Hz頻率。 4）電源模塊采用一個插入開關，當沒有外部電源時由電池供電，當有外部電源接入時，斷開電池連接，由15V直流適配器給電路供電。 本測試儀所用數學模型已經廣東番禺恒達蓄電池總廠產品測試，誤差不超過10%。三. 測試方式比較1. 離線式放電法技術分析（1）將其中一組電池脫離系統后，一旦市電中斷，系統備用電池供電時間明顯縮短，何況此

13、時尚不清楚另一組在線電池是否存在質量問題，此放電方式事故風險性高。如要用此方式放電，建議提前啟用發動機組，并確保發電機組、開關電源等設備能正常運行，保證安全；（2）離線放電結束后的電池組與在線電池組間存在較大電壓差，若操作不當將引起開關電源和在線電池組對離線放電后的電池組進行大電流充電，產生巨大火花，易發生安全事故。用此方式放電，需要配備一臺整組智能充電機，對該離線電池組先充電恢復后再并聯回系統，以解決打火花問題，這樣將使系統更長時間處于單組供電狀態，事故風險高。另通過調整整流器輸出與被放電的電池組電壓相等后進行恢復連接。上述操作一定要謹慎操作；（3）此放電方式操作時既要脫離電池組的正極，又要

14、脫離電池組的負極，尤其是脫離電池組負極時需要特別小心，操作不當引起負極短路，將造成系統供電中斷，導致通信事故的發生；（4）此方式是將電池通過假負載以熱量形式消耗，浪費電能，影響機房設備運行環境，需要維護人員時刻守護以免高溫引發事故。2. 在線評估式放電法技術分析（1）調整整流器輸出電壓至保護低壓值（如46V），使所有后備電池組直接對實際負荷進行放電至整流器輸出電壓保護設置值。由于現網系統設備絕大多數電池配置后備供電時間為14h，放電電流大，應考慮電池組至設備供電回路壓降及設備低壓工作門限，以及保證系統供電安全，在線評估式放電其調整整流器輸出電壓不允許過低（如46V），放電深度有限，對實際負載的

15、放電時間掌握比較困難，評估電池容量難以準確，對電池性能測試有不確定因素存在，從而對保持電池組活性這一放電測試目的難以達到維護預期工作效果；（2）如果兩組電池都有失容或欠容、落后等質量問題，當其放電至整流器輸出保護值的時間，不易被維護人員及時發現，此時可能后備電池容量所剩無幾，存在高風險。在此情況下，此放電方式比離線放電方式安全性更低；（3）由于放電深度有限，對保持電池組的活性這一放電測試的目的無法達到，更為關鍵的是在全容量放電的實踐中我們經常發現有些電池組在放電前期表現正常，但到中后期，有些落后電池才開始逐步暴露出來。這一部分落后單體，于此放電方式的深度不夠而沒有被發現。所以我們稱此放電方式為

16、在線評估式，它只能大致評估電池組性能，或檢測此電池組可以放電至此保護電壓的時間長短，而無法進一步檢查除此時間外究竟還能放電多長時間；（4）組間電池放電電流不均衡。各組電池將根據自身情況自然分攤系統的負荷電流來放電，落后電池組，內阻大，分攤電流小，而健康電池組，內阻低，分攤電流大，造成某些落后電池因放電電流不夠大而無法暴露出來的現象，達不到我們進行放電性能質量檢測目的。綜上所述，在中心機房蓄電池必須定期進行容量測試的需求下，目前兩種容量測試方法，各有特點又各有弊端，離線放電方法雖然可以達到蓄電池容量測試的目的，但是工作量太大，系統安全性偏低，而在線評估式放電方法雖然工作量比較小，但是系統安全性低

17、，達不到蓄電池容量測試的目的，潛在的安全隱患大。因此，當前的蓄電池容量測試方法必須改革，現將引入一種全新的、科學的容量測試技術全在線放電技術，以使電池放電容量測試達到預期維護質量檢測效果，電池放電維護操作簡便安全，提高了維護工作效率易得到有效的落實。3. 全在線放電技術分析全在線放電技術指被測電池組通過串接電池組全在線放電測試設備提升在線供電電壓，以自動穩流或恒功率控制輸出，使被測電池組對在線負載設備進行供電，實現被測電池組恒電流放電測試或恒功率放電測試，達到安全節能維護效果。系統技術原理圖如圖1所示。圖1蓄電池全在線放電設備工作原理圖放電技術原理如圖2所示。被測電池組的全在線放電原理分析：如

18、圖2所示，在被測電池組的正極串聯電池組全在線放電設備，使被測組電池所在支路的電壓略高出整流器輸出或另一組電池的電壓，這樣就能使該組電池對實際負荷進行放電，在其放電過程被測電池組電壓隨著放電時間的變化（延長）而變化（逐漸下降），通過全在線放電設備進行自動電壓補償調整，保證被測電池組始終保持恒定的電流或恒定的功率進行放電，當電池組放電終止電壓、容量、時間和單體電壓達到我們預期所設置的放電門限值時，完成放電測試。實現該電池組在線放電測試目的和預期維護效果。全在線放電工作原理，如圖3所示。圖2全在線放電原理圖3在線放電工作原理圖 3.1. 在線放電結束后，自動完成在線充電恢復等電位連接被測電池組放電測

19、試結束后，電池組全在線放電設備自動進入充電程序，引導在線開關電源的整流輸出，經過全在線放電測試設備的充電、等電位控制保護電路自動對被測放電的電池組進行限流充電，自動完成在線等電位連接，根據全在線放電測試設備系統提示操作要求，恢復系統的正常連接后，全在線放電測試設備退出服務，完成結束蓄電池組全在線放電、充電恢復等電位正常連接全過程。另一組電池以同樣的方式進行在線放電容量測試。如圖4所示。圖4在線充電自動控制等電位連接工作原理圖3.2. 在線放電“無縫連接”技術為確保電池放電測試的安全性，電池組全在線放電設備在串聯接入電池組正極時要求以無縫連接方式，如圖5所示。圖5在線放電容量測試接線圖電池組在線

20、放電測試無縫連接操作，“設備”接入應遵守“先接三，后拆一”，即為先接電源線L1、L2、L3，后拆原電源連接線L5；“設備”成測試退出服務，應遵守“先接一，后拆三”的原則，即為先接原電源連接線L5，后拆電源線L1、L2、L3。4. 在線放電技術與當前放電技術對比分析4.1. 與離線放電技術對比分析（1）放電過程最大限度保證電池組備用電能，最大限度降低放電測試造成系統癱瘓的風險；（2）電池組放電后能自動進行充電恢復，克服離線放電后等電位接入系統操作難度大及潛在安全等問題；（3）電池組存儲的電能最大限度地得到利用，克服了離線放電能源的浪費，基本沒有發熱現象，不存在高溫的危險，不影響機房環境溫度；（4

21、）僅在電池組的正極進行無縫連接操作，避免了離線放電因操作不當引起的短路風險；（5）該設備一旦串聯接入電池組的正極，設定相關放電參數后，所有放電充電工作自動完成，維護人員可以進行其它工作，降低工作強度，提高工作效率。4.2. 與在線評估式放電技術對比分析（1）全在線放電方式能夠達到深度放電保持電池活性及檢測落后電池的放電測試目的，充分把握電池組剩余容量和后備供電時間；（2）在放電過程中最大限度地保證電池組備用電能，最大限度地降低了容量測試造成系統癱瘓的風險；（3）全在線放電方式能夠實現各組電池以相同電流進行分組放電，任何落后單體電池都能暴露出來，克服了在線評估式放電的局限性；（4）全在線放電設備

22、一旦串聯接入電池組的正極，設定相關放電參數后，所有放電充電工作自動完成，維護人員可以進行其它工作，降低工作強度，提高工作效率。四. 測試方法1. 半荷內阻法     目前蓄電池安全檢測技術正面臨這樣的困境：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險,不可多用;內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“半荷內阻法”。本文著重討論半荷內阻法的理論依據和實用關鍵。 1.1.  電池組放電的電壓曲線族   &

23、#160; 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,放電曲線直觀展現了其電池在一定負載電流下其端電壓的變化規律,在忽略細節后可表述為： 1）終止電壓前的平穩緩慢下降; 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。 電池最終都以串聯方式成組使用,把串聯電池組各電池的放電曲線繪制在同一坐標中,就能構成一族曲線,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,其變化規律為：投運初期各電池一致性較好,

24、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予關注或維護,按照規范,在維護后電壓拐點仍落后于80標稱拐點的電池應予更換。 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。 1.2. 蓄電池組放電的內阻曲線族 等效內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阻曲線族。 放電狀態下的內阻變化規律不象電壓

25、變化規律那樣為人熟悉,但經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,內阻值可能上升為初始內阻值的24倍;        4）50荷電率為內阻曲線的拐點,簡稱內阻拐點,可以用二折線法粗略表現一條內阻曲線。    這里所述的“荷電率”,定義

26、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,其數值變化方向相反。這樣在放電過程中,全蓄電池組執行了一個統一的標稱放電深度,其數值越放越大,而執行中各單體電池的荷電率卻各不相同,其數值越放越小。    為了清晰地表達內阻曲線族的變化規律,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分別代表電池組內好、中、壞3種典型類型,其浮充內阻分別為0.20m、0.20m、0.27m。請注意100

27、0A·h與800A·h的內阻都等于0.20m,這一數值既肯定獲有實測數據的支持,也在刻意提示滿電下的內阻分布確實存在與“內阻大容量小”相關性規律不符的例外。再假設放電終止內阻為初始內阻的3倍,圖2是按以上參數用二折線法繪制的內阻曲線族。        圖2中每條曲線都以100真實荷電率和初始內阻值為起點,以0真實荷電率和初始內阻的3倍值為終點,而以50真實荷電率和初始內阻的略大值為拐點。實測經驗表明,用二折線法繪制的內阻變化曲線與真實數據之間的誤差,不會影響本文的分析結果。    &#

28、160;   內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中表現為拐點之間的水平間距。而在內阻曲線族中,有比較意義的是不同放電深度下的不同內阻值,在圖2中表現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。        如果說內阻曲線族還不夠直觀,可以借鑒圖象處理的思路,引入內阻分布“反差

29、”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,將賦予內阻曲線族比電壓曲線族更為積極的學術意義和實用價值。 1.3. 電池組放電下內阻分布的反差曲線    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,反差大意味著內阻分布“鮮明”,這必然意味著判別準確率的提高。        可以把內阻反差Fcr定義為：        Fcr=(RmaxRmin)/Rmin（1）   

30、     式中：Rmax為內阻分布中的最大值;       Rmin為內阻分布中的最小值。       那么根據圖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值列于表1,圖3為依據表1數據繪出的Fcr單一曲線,其中表1數據和圖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,其真實荷電率已經等于0。 表1    Fcr逐點計算表   

31、60;    圖3所示的單一Fcr曲線比內阻曲線族更加直觀的反映了放電深度與內阻反差之間的對應規律：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,Fcr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。  

32、;      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很遠,這是半荷法比容量放電法安全的科學依據。 1.4. 半荷內阻法及判別準確率        單從放電內阻曲線族出發,至少可以設計出2種新的測試方法。 1.4.1.  第一種可稱為“內阻計時法”        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）的監測計時,改為對內阻拐點的監測計時,由于電壓拐點對內阻拐點存在

33、2倍的依存關系,把內阻拐點的計時值簡單乘以2,就可方便地推算出真實容量。        該方法的優點是：比容量放電法安全,比浮充內阻法準確。       該方法的缺點是：        1）內阻監測點不易把握,而監測點不準依然會造成誤差過大甚至誤判;        2）仍然需要對內阻拐點進行連續監測和計時,也就是說,需要研制專門的內阻監測計時儀器。  

34、60;     以上2個缺點都需要在獲取大量實測數據后方可完善,本文不再深入討論。 1.4.2. “半荷內阻法”        該方法的思路是：在電池組粗略地執行半荷放電后,對各單體電池作普通巡采,再依內阻大小作出判斷。        從測試流程來看,半荷內阻法僅僅增加了半荷放電,其他操作方法和要求與浮充內阻法完全相同。以下分析是哪些因素提高了半荷內阻法的判別準確率：      

35、0; 1）加大了內阻反差增強后的反差使檢測更加容易,也使判讀更加可信。可形象地把半荷放電理解為膠片照相技術中的“顯影”過程,顯然,充分顯影的照片圖象最清晰。        2）對內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。半荷放電使內阻值正確排序,有效糾正浮充內阻的初期無序性,是提高判別準確率的關鍵因素。        3）與真實容量緊密掛鉤蓄電池維護專業

36、最最關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。浮充內阻與真實容量的關系可概括為：“高度相關但確有例外”,其判別準確率欠佳很容易理解。而內阻拐點客觀存在于真實容量的50點,已經最大限度地與真實容量掛鉤。應該說,正確排序及與真實容量的直接掛鉤這二點成為半荷內阻法最誘人之處。        4）減小非化學內阻的影響電池等效內阻是所有電化學內阻和非化學內阻的等效總和,非化學內阻也攜帶有重要信息（如內匯流條融焊缺陷、或腐蝕裂縫等）,卻和真實容量無關,由此對正確提取容量信息造成很大困難,這也是浮充內阻形成初期無序性的主要根源。在現有

37、儀表尚不能分離不同內阻的客觀前提下,半荷放電可顯著改善電化學內阻對非化學內阻的比例關系,這點對提高判別準確率有重要貢獻。        半荷內阻法在本質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。        從國內外大量實測數據看,無論采用哪種原理或哪家儀表,浮充內阻法的單體準確率普遍停留在90左右難以突破,加上單節誤判須算全組誤判的行業判則（木桶判則）,整組準確率一般也就在8

38、0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屬正常合理。        半荷內阻法恰倒好處地糾正了這約20的誤判,實現了長期苦苦追尋的、達到或超過容量放電法準確率的目標。以上結論已有初步實驗驗證。 1.5. 半荷內阻法實用關鍵問題探討        半荷內阻法進入實用以前,明顯還有許多實際問題需要探討解決。 1.5.1. 適用約束條件        半荷內阻法很自然的要求以下約束條件：  &#

39、160;     1）正常而規范運行的蓄電池組,包括符合安裝規范和維護規范;        2）保證放電起始點為充分浮充以確保滿電;        3）內阻儀表具有夠用的測量精度和良好的在線抗干擾能力;        4）有另外的輔助監測手段（如電壓）以預防單體過放。        這些約束條件完全與正常的維護規范相一

40、致,并無特別之處。強調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,產生與本文不符的未知結果。 1.5.2. 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,關鍵是滿足維護需求和不斷總結完善。刻意追求放電深度為零,甚至固執到認為只要放電就沒有新價值的思維方式都極不科學。        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的條件下,不放電等于不掛鉤

41、,也就是說必須靠多少放出一些電量才能構建二者的函數關系,在計算公式中才能出現真實容量的數學因子。        更不應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區別：容量放電法在理論上要求把至少一節蓄電池放電到過放臨界點,已經有損蓄電池組安全;而半荷放電法在理論上總是遠離過放危險區,還可保留部分電量以備不時之需。 1.5.3. 放電深度的執行        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測;總之

42、,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：最佳方案應該是結合原有規程中的“定期維護性放電制度”,不增加工作量,也無須修訂規程,只需附帶補充一項測試,就可以收到事半功倍的效果。 1.5.4. 儀表的精度要求        反差的加大降低了對儀表精度的要求,這就是說現有儀表完全夠用;一臺能在浮充內阻測試中表現較好的內阻測試儀（注意：僅僅判別準確率欠佳絕非儀表本身之過）,應該足以勝任半荷內阻法的測試任務,無論它原來是哪種原理或哪家品牌。 1.6

43、. 從蓄電池組的壓阻曲線族看蓄電池檢測技術的演變        蓄電池組放電的內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的突破,以后的電池說明書應該增加內阻曲線的數據和圖表。如果把圖1的電壓曲線族和圖2的內阻曲線族合二而一,組成新的“壓阻曲線族”如圖4所示,則會帶來關于電池的更完整的知識。                    &#

44、160;       有趣的是還能夠從壓阻曲線族上看到電池測試技術的演變軌跡,由此也可加深對半荷內阻法本質的理解：        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）因密封電池無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,必須連續監測;        3）試圖縮短測試時間的快速容量測試法,位于電壓曲線

45、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;        4）另辟蹊徑的浮充內阻法,位于內阻曲線的左起點,方便實用,卻因初始內阻反差小、且無法克服10的誤判而始終難以完全信賴;        5）本文的半荷內阻法,恰當占據了內阻曲線族中部的寬廣區域,直觀展現其數據反差大,準確率高,適應范圍寬,操作安全等優點。 1.7. 結語        內阻數據是蓄電池非常寶貴的一項信息資

46、源。密封蓄電池可看作物理學上的黑匣子,黑匣子上的兩極柱僅僅能提供電壓和內阻兩個獨立的電學物理參數,其中內阻比電壓更加反映蓄電池內部的真實狀況,這樣寶貴的資源卻至今遲遲未能得到合理的開發和利用。半荷內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術思路有所助益。2. 內阻法蓄電池是一個復雜的電化學系統，它在不同負載條件或不同環境溫度下運行時，實際可供釋放的剩余容量不同；而且隨著蓄電池使用時間增加，其容量也將下降。通常是根據蓄電池的電解液密度來估算剩余容量的，該方法有很大局限性：在蓄電池使

47、用后期，隨著正負極板的腐蝕、斷筋，難以準確推算出剩余容量；同時，這種方法也難以適應目前廣泛應用的VRLA蓄電池的在線檢測。近些年常用的幾種蓄電池剩余容量檢測方法之中，對在線使用的蓄電池來說，內阻法對系統產生的影響最小，并可以在蓄電池整個使用期內準確測量，因此，內阻法被視為一種比較理想的方法。但在高噪聲情況下卻發現，實際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，因此，對高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進勢在必行。2.1. 內阻法預測剩余容量的實施方案大量研究結果表明，蓄電池內阻與荷電程度之間有較好的相關性12。美國GNB公司曾對容量2001000A·h，電池組電壓18360V的近5

48、00個VRLA蓄電池進行過測試，實驗結果表明，蓄電池內阻與容量的相關性非常好，相關系數可以達到88。隨著蓄電池充電過程的進行，內阻逐步減小；隨著放電過程的進行，內阻逐步增大。另外，隨著蓄電池老化，其剩余容量隨之下降，內阻也逐漸增大。蓄電池內阻與剩余容量的典型關系曲線如圖1所示。    蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內阻相差24倍，變化率遠遠大于蓄電池端電壓變化率（約為3040），因此，通過測量蓄電池內阻可以比較準確地預測其剩余容量。另外，對于在線使用的蓄電池來說，內阻法還有一個突出優點是對系統影響最小，可以在蓄電池整個使用期內準確測量。因此，不難看

49、出內阻法最適合于VRLA蓄電池剩余容量的在線測量。內阻法預測剩余容量的具體實施方案是：首先，將蓄電池充滿電（以2V蓄電池為例，充電至2.23V，浮充電流至10mA），然后，以0.1C的放電率使蓄電池放電，記錄下放電過程中內阻與剩余容量的大小。當蓄電池放電完畢（2V蓄電池放電至1.80V）便可獲得完整的放電曲線，即剩余容量與蓄電池內阻之間的對應關系。將此曲線存入蓄電池監控系統的FLASHROM中，在以后測試同型號、同規格的蓄電池時，處理器根據在線測試得到的內阻值，通過查表計算，得出其剩余容量。因此，這一方法的關鍵在于如何在線測得蓄電池內阻。蓄電池內阻測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定交流音頻電

50、流源Is，然后，檢測其端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角。顯然，蓄電池的交流阻抗為Z=Vo/Is，而R=Z×cos即為我們所要獲取的蓄電池內阻值。其具體實現方案如圖2所示。圖中300Hz信號發生電路由14位二進制串行計數/分頻器CD4060以及帶通濾波電路組成，具體電路如圖3所示。2.2. 高噪聲情況下在線測量方法的改進采用上述方法測量蓄電池剩余容量具有較高精度，離線測量時誤差優于7。然而在實時的在線測量中，卻發現實際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，有時誤差甚至超過10。是什么原因引起這種誤差呢？為此，我們對蓄電池的幾種工作狀態，即供電正常情況下的浮充狀態，市電故障情況下的放

51、電狀態以及逆變器故障時的狀態分別進行了測試，發現在逆變器故障情況下，可以達到與離線測試時近似的精度。至此，可以斷定精度降低的原因是由逆變器反饋噪聲所引起的，為此，我們嘗試采用低通濾波器（截止頻率為1kHz）的方法來提高測試精度，效果并不理想，可見逆變器的反饋噪聲主要集中于低于1kHz范圍，因此，在硬件上難以實現。考慮到事先已經測試得到n個標準內阻值，因此，可以在軟件上采用最小二乘擬合的辦法進行數據修正。所謂最小二乘問題，就是要找出一個待定函數f(x)，使得f(x)與標準值y之差的平方和最小，即f(x)的求解過程如下3：首先，假定f(x)為一個n次多項式，即然后取出已經測試得到的n個標準內阻值，

52、設為y1，y2，yn；從而式（1）可以化簡為根據微積分中的極值原理，欲使式（3）最小，必須使其對每一個系數的偏導數為0，即：該式中有n1個方程式，因此，可以求解出n1個未知數。將式（3）代入式（4）并化簡可得最后將測試過程中實測得到的n個阻值x1，xn與n個標準內阻值y1，y2，yn代入式（5），就可以確定出a0，a1，an共n1個系數，從而可以得到f(x)。2.3. 實驗結果以蓄電池參數和交、直流電壓為例給出系統測試結果。測試用標準表為ESCORT3155A；測試用蓄電池為南都公司GFM200，并將其在額定負載情況下以0.1C放電率恒流放電所得到的容量作為標準容量；測試環境溫度均為18。蓄電

53、池剩余容量測試結果如表1所列。表1 蓄電池剩余容量測試結果標準容量/A·h 監控單元實測容量/A·h 絕對誤差/A·h 相對誤差/ 200.0 184.9 15.1 7.6 193.6 180.7 12.9 6.7 176.4 188.9 12.5 7.1 165.7 153.2 12.5 7.5 135.2 142.8 7.6 5.6 87.76 83.28 4.48 5.1 由實驗結果可以看出，經過最小二乘法擬和以后，測量結果基本接近離線測量結果。其精度完全可以滿足通信電源和空調集中監控系統技術要求中的規定。五. 測試設備1. 放電部分 最大電壓：60V(TO

54、RKEL820)                290V(TORKEL840)                480V(TORKEL860)最大電流：270A(TORKEL820)          

55、      110A(TORKEL840/860)最大功率：15KW放電方式：恒電流，恒功率，恒阻抗，電流或電壓曲線圖電流設置：0-270.0A(2999.9A)(TORKEL820)0-110.0A(2999.9A)(TORKEL840/860)功率設置：015.00KW(299.99KW)穩定精度：±(0.5%讀數+0.5A)2. 測計部分電流測量：0.02999A基本精度：±(0.5%讀數+0.2A)分 辨 率：0.1A電壓測量：0-60V基本精度：±(0.5%讀數+0.2A)分 辨 率：0.002V時間測量

56、：基本精度±(0.1%讀數+1個字)配置參考表：TORKEL820系統最終電壓恒定電流恒定功率24V(12單元)1.80V/單元(21.6V)0-270A0-5.8KW1.75V/單元(21.0V)0-270A0-5.67KW1.67V/單元(19.2V)0-224A0-4.68KW48V(24單元)1.80V/單元(43.2V)0-270A0-11.6KW1.75V/單元(42.0V)0-270A0-11.3KW1.67V/單元(38.4V)0-261A0-10.0KWTORKEL840,860系統最終電壓恒定電流恒定功率110V(54單元)1.80V/單元(97.2V)0-110

57、A0-10.7KW1.75V/單元(94.5V)0-110A0-10.4KW1.67V/單元(86.4V)0-110A0-9.5KW220V(108單元)1.80V/單元(194V)0-55A0-10.7KW1.75V/單元(189V)0-55A0-10.4KW1.67V/單元(173V)0-51.7A0-8.94KWUPS(180單元)1.70V/單元(306V)0-38A0-15KW1.60V/單元(288V)0-38A0-15KWUPS(204單元)1.80V/單元(367V)0-34A0-15KW1.60V/單元(326V)0-34A0-15KW如需更大電流可參考以下配置TORKEL8

58、20與額外負載TXL830,850系統24V系統48V系統最大恒流(A)820個數830個數最大恒流(A)820個數850個數502115031173412737129661397113119814120614TORKEL840,860與額外負載TXL830,850,870系統110V系統220V系統最大恒流(A)840/860個數870個數最大恒流(A)840/860個數870個數1881194112661213312344131882342214227245322426624610253062568826345      

59、0;   26766273842784528423289232946329蓄電池結構2.1 蓄電池結構探討判斷蓄電池壽命狀況的最佳方法是帶負載測試及容量測試，這需要較長時間，無法即測即得，必須采用既方便又可靠的方法來建立電池容量與傳導狀況關系。為尋求簡易的輔助測試手段，我們首先從閥控蓄電池結構及原理的研究開始。過去人們對蓄電池內部參數、傳導途徑和容量關系理解為：內部電路由電阻、電感和電容組成。電感影響非常小（僅有0.050.2 H），而電容又出奇大，每100 Ah蓄電池電容可達1.7 F，但又無證據證明電容與電池容量的關系，故而認為阻抗（電化學電阻）同時包含了電容和電感的因

60、素。因此采用直流到幾千赫茲的交流對電池進行阻抗測試，但結果都不理想。  愛博公司對蓄電池的內阻進行了深入研究，獲得專利U.S.Patent N 5,744,962，即真正的蓄電池等效內阻由其金屬電阻和電化學電阻組成，內阻的增加導致蓄電池實際容量的減小。而通過對內阻的測試可評定電池的優劣，來估算蓄電池的剩余容量。蓄電池內阻的增加導致性能退化，蓄電池容量與內阻的曲線關系（并非直線關系，而是非線性函數關系）如圖1所示。直線之所以不能描述蓄電池的內阻與容量關系，是因為蓄電池放電過程中金屬電阻和電化學電阻顯示出不同特性。由典型100%容量蓄電池的放電曲線可以看出內阻增加對蓄電池容量有

61、著負面的影響，蓄電池內阻的功耗為：I2×R內。這部分能量沒有得到真正的利用，造成了蓄電池實際容量的減少。    在放電過程中蓄電池容量的減少與電池內部金屬電阻、電化學電阻變化的依賴關系是不同的。蓄電池的金屬內阻包括電池的極柱、內部的匯流排、板柵及板柵與涂膏間的電阻。報廢電池的反常內阻通常是由電池的極柱、內部的匯流排及板柵的化學腐蝕、焊接及鑄鉛質量的低劣造成，這用Alber蓄電池測試產品能夠檢測出來。涂層、電解質和隔離器組成了蓄電池內阻中的電化學部分。蓄電池長期使用造成活性物質減少、涂層老化，充放電時電解液比重的變化，以及隔離器成份或其表面的化學構成的改變，閥控電池

62、電解液的干涸，都使電化學電阻增加。2.2 蓄電池內阻測量方法的原理當前的測量儀器多采用的是交流注入或瞬間負載測試（直流測量）兩種方法。使用交流注入的儀器（如測量阻抗或電導的儀表），在測量時會對電池施加一個交流的測試信號，然后再測出相應的電壓和電流。阻抗的讀數VI會隨頻率而變化。采用交流方式的儀器存在著易受充電器紋波電流和噪聲源干擾的問題。有些設備不能在線（連接充電器和負載，并處于浮充狀態）對蓄電池進行測試。使用頻率為60 Hz和50 Hz的交流測試電流更不可取，因為這是充電器紋波和噪聲源的主要頻率。而在大型UPS電池上出現大于30 A RMS紋波電流的情況并不少見。Albercorp公司的專利U.S.Patent N 5,744,962中蓄電池真實等效內阻的測試見圖2。在蓄電池組瞬間大電流對負載放電（70 A左右）產生電壓降后再斷開負載時其瞬間電壓