在线式内阻监测模块实际应用测试

在线式内阻监测模块实际应用测试

娄雄1

1.杭州高悦新能源科技有限公司，杭州 311300

摘要：随着在线内置测试装置的迅速发展，在数据中心、后备电源系统、储能系统等对铅酸、铅碳电池进行内阻的在线检测非常有必要。现在对几种常见的检测模块进行性能分析，为实际应用提供有价值的参考数据。

关键词：蓄电池；内阻；在线检测

中图分类号：TP216

铅酸蓄电池在变电站、储能系统、通信基站等基础设施与船舶、铁路、汽车等交通运输领域有广泛应用，密封阀控式铅酸蓄电池因其免维护等优良特点占领了显著的市场份额。实际应用的后备铅酸蓄电池容量大，使用状况复杂，同时电池密封后加大了通过端口特性来判断其健康状态的难度，而准确有效判断铅酸蓄电池的剩余容量与剩余寿命是国内外蓄电池应用最紧迫的要求。

铅碳电池是在铅酸电池的基础上材料改进而来，基本原理与铅酸电池差别不大，因此原理上可以归纳为铅酸电池。大容量阀控铅酸电池的使用特点主要如下：

1）容量放电试验有损电池寿命，不可多用，且完成一次试验需要较长时间，一般规定最多一年一次。因此，容量放电试验只能作为核容的定期维护手段，不能作为蓄电池的日常维护手段。

2）此外，事实证明现在电池管理系统普遍采用的“浮充电压”，“浮充电流”和“电池内阻”等在线检测方法，还不能有效覆盖蓄电池的日常维护需求。

3）最后，电解液比重测试方法也只能应用在开口式铅酸蓄电池中，对于常规密封铅酸蓄电池也无法应用。

在目前的实际情况中，往往是多种手段并用，以在线检测配合每年一次的核容来判断电池的状态比较常见，而有效稳定的在线检测设备就显得比较重要，大部时间需要通过其检测的电压，电流、内阻、极化电容等数据来综合判断。

1 电池失效原理介绍

铅酸电池在浮充应用时，随着电池的老化，主要是电极失效与电解质失效导致电池剩余容量的损失。但较完备的铅酸电池失效模式还需要细分正负电极腐蚀的成因，电解质失效还要细分为层化、硫酸盐化的成因。如下表1所示，单一失效事件（例如未达充满状态和失水）可以作用到多种失效模式，呈现出多种失效表象。

表 1. 铅酸电池主要失效表象、模式与原因分解

兰德尔博士（J.E.B. Randles）的工作被看作是铅酸电池建模研究中里程碑之一，通过对多孔电极和电解质之间物理化学微分方程进行数学分析，并借助电路原理中的传输线概念，建立电池内物理化学反应与电池端口电量间的等效集总电路关系，指出多孔电极尺寸与电解质浓度等参数同等效电路的集总元件参数间存在定量关系]。兰德尔等效电路及其改进形式已经在电池管理检测技术中得到广泛应用，典型如下图1所示。

图1.简化的兰德尔等效集总电路图

为电极及汇流排上杂散电感，为电极及汇流排上接触导通损耗电阻，和为电解质中的导通损耗电阻；其中即和电解质层化直接相关，与电极腐蚀与电极的机械劣化直接相关。

表示电极上的双层电容，是由电极与电解液之间的电荷分布引起的寄生电容，该电容直接和活性物质软化相关。表示电极和电解质之间的电荷转移现象在电极上形成的导通压降，该电阻直接和活性物质软化相关。

代表了靠近电极的电解质浓度差异引起的扩散现象，该浓度扩散也形成压降，该阻抗也称为瓦尔堡阻抗（Warburg impedance），该阻抗直接和电解质硫酸盐化相关。

表 2 铅酸电池主要失效表象、模式与等效电路的集总元件表征

通过上述对铅酸电池等效电路各集总元件的解读，表2用集总元件表征蓄电池失效模式和失效表象对应关系。用集总元件直接表征失效表象的好处是实现了单一失效元件对应单一失效模式和多个失效元件对应单一失效模式的映射关系，使从集总元件开始构建蓄电池剩余寿命函数成为可能；排除了原来单一失效事件（例如未达充满状态和失水）可以作用到多种失效模式的映射关系。

2常见的检测手段

对于电池的健康状态检测，主要有内阻巡检、阻抗谱巡检、在线检测等方法。

（一）内阻巡检

内阻巡检是当前最主要的信息预警方式之一。变电站与通信基站直流电源系统蓄电池组长期处于浮充状态，这是显著区别于交通动力电池的特点。国内外可以提供蓄电池在线监控巡检系统的厂商也有相当数量，除了温度、浮充电压、浮充电流等，手持式内阻仪可以测量单节蓄电池的电压、内阻情况。内阻仪通常采用交流注入法来测试，精度相对较高。

铅酸蓄电池欧姆内阻巡检对铅酸蓄电池的失水、热失控、阳极腐蚀等失效判断有很大帮助。然而，欧姆内阻异常只能作为电池容量恶化的必要条件而非充分条件，欧姆内阻异常对电池失效只能起到警报而非预报作用，预报作用恰恰就是铅酸蓄电池最需要的.

（二）阻抗谱巡检

由阻抗谱巡检替代内阻巡检进行信息预报是当前主流的研究方向之一。将电池剩余容量估计作为铅酸蓄电池信息化巡检的主要内容，意味着信息巡检工作重点由预警转向预报转型。目前主流的欧姆内阻巡检本身无法担负起剩余容量预测与健康状态估计的功能，这和巡检仪器本身无关，是由铅酸电池的电化学特性直接决定的。交流阻抗谱检测技术是目前解决浮充蓄电池在线健康状态估计的最可行方案之一。阻抗谱检测可视为内阻检测在检测频段上的拓展，交流阻抗谱对电池健康估计的原理就是放大某些变量或变量组合在额定性能80%以上（可以超过100%）区间的数值变化范围，以抵御测量干扰和误差的影响，提高测量结果分辨电池剩余容量的能力。

（三）在线监测模块检测

在线检测，可以实时检测电池的电压、浮充电流、环境温度、内阻等数据，同时可以通过数据的长期分析比较，来提高对电池状态变化趋势的判断。在线检测装置往往具有小型化，低成本化的特点。通常采用交流放电的方法，放电电流较小，1-10A之间。虽然测试内容不及阻抗谱法全面，但成本低，实用性高，配合后台算法的分析，也可做到不错的效果。国内数据中心安装在线检测模块的也有不少。

3实际应用

3.1 Cellwatch 产品分析

美国 NDSL 集团旗下 Cellwatch 系应用于重要用电环境下的电池监测设备品牌，可广泛运用于电力、通讯、医疗、金融、数据中心、政府和军用设施等领域，Cellwatch 目前依托于国际 UPS 巨头伊顿（Eaton）来进行市场推广。Cellwatch产品在国外尤其是欧美占据一定的市场份额。

1. 对电压和内阻进行对比测试，结果如下表3：

表 3 cellwatch测试与内阻仪测结果

2. 
   频率特性

cellwatch 采用交流内阻法。测试内阻产生的激励是一个交流方波信号，参数如下：频率：222.7HZ，单一频率幅度：590mA。图2是测试的放电电流波形。

图2 放电电流波形

Cellwatch的使用说明书并未说明其内阻测量原理，从测试结果看，应该也是交流扰动法。加上其能做到连续扫描，所以推测其内阻测量机理与日置内阻仪相似，即施加单一低频200Hz扰动。从测试结果看Cellwatch对电压的测量精度不高，与万用表对比有10mV左右误差。

3.2深圳某厂监控模块测试情况

对国内厂家生产的在线监测模块与内阻仪测试值进行比较，见表4。

表4 在线模块与内阻仪测试对比

从测试结果可以看到，模块的电压测量与内阻仪测试结果较接近，而内阻测试结果两者有较大偏差。造成二者差异的主要原因有两个：一是二者测试方法的差异（所加扰动频率大小）及参数代表意义的不同（阻抗实部、虚部、模值）；二是模块测试线接在铜

芯极柱下方，且用锡丝焊接，内阻仪接触点在铜芯极柱上方。

在线式内阻仪测试结果与内阻仪所测值存在一定的误差，但可以反应一定的趋势变化。

3.3 多频点测试

单一频点的内阻测试装置只能测试极化内阻而无法测量极化电容，采用多点频率测试时，可以计算出极化电容。因此挑选了一款具有多频点扫描功能的在线监测模块。

为了验证模块数据采集的稳定性，比较了不同模块测试同一电池（每个模块测2次，共6套模块。及电化学工作站的阻抗拟合结果，测试的原始数据及数据的波动情况如下图3、图4、图5所示：

        图3 阻抗R1结果

图4 R2测试结果

图5 C测试结果

从结果可以看到，无论是模块还是阻抗谱，6个电池间的R1（2%）和C（5%）波动较小，R2（15%）波动较大。

（a）模块测试稳定性。无论是同一模块两次测量间的数据，还是不同模块对同一电池的测量数据，都呈现电压和R1的测试结果较稳定（偏差分别为0.2%和7.8%），R2和C的的波动较大（偏差分别为33%和21%）。

（b）模块测试与交流阻抗频谱结果对比。模块的测试原理是施加两个不同频率的扰动，然后通过解方程组得到R1、R2和C。阻抗的测量原理是施加一系列连续变化的频率（1000Hz-0.01Hz），通过拟合软件（Zview）对测试结果进行拟合，得到各参数。对比二者的测试结果可以看到，二者对R1的测试偏差较小（3.5%）、模块测得的R2小于阻抗结果（20%）、模块测得的C大于阻抗结果（44%）。由于R2和C存在着R2=（ω为虚部最大值对应的角频率）的反比关系，所以出现一者较大、而另一者较小是符合测试原理的。模块测量和阻抗谱的结果差异可能由两部分组成：一是测量过程存在误差（如模块连接线和极柱的焊接、阻抗仪夹子和极柱的接触等）；二是数据处理方式的不同（如低频扩散弧对中频容抗弧拟合的影响等）导致偏差。

（c）各参数用于判断电池一致性的可行性。以往对于判断电池一致性的主要依据有容判电压、开路电压和R1。由于模块可以得到R2和C，如果可以利用R2和C辅助判断电池的一致性，对于电池稳定性判定有一定的意义。从测试结果看，无论是模块还是阻抗仪，6个试验电池的R1，R2和C的偏差分别为2%，5%和15%。但是这些结果还不足以得到R2和C判断电池一致性是否可靠的结论。主要原因有：一是从放电曲线看，6个电池的均一性较好，并不存在明显的高容量和低容量电池。这样也就无法通过比较容量和R2、C是否存在对应关系来判断此法的可行性（后续可通过对个别电池进行充放循环或浮充人为造成电池间容量差异，然后再比较R2和C与容量是否有对应关系）；二是对于R2和C，模块本身的测量存在较大的波动（33%和21%），除非电池一致性的差异能够大幅度影响R2和C值，否则难以保证测量结果的可靠性。

4 结束语

文中介绍了铅碳、铅酸电池失效机理，介绍了几种常用的检测方法，并测试了国内外部分产品的实际效果，主要有单频点模块与多频点模块，结合实际应用给在线式测量方法判断电池健康状态提供了参考依据。

参考文献：

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[3]杨守义杨宏丽, 王静霞.单片机应用技术[M] 西安：西安电子科技大学出版社，2002

[4]王武. 浅谈延长电站铅蓄电池的使用寿命[J]. 核工业自动化, 2001(2):15-17.亿

作者简介：娄雄（1985—），男，汉，临安，本科，中级职称，工商业储能系统。