铅酸蓄电池内阻检测到蓄电池维护
——内阻检测方法的建立到标准的建立
eTocsin Inc.林树胜
- 一、概述
由开口式铅酸蓄电池到阀控铅酸蓄电池已经历了30多年，国内大规模改用阀控铅酸蓄电池也已有15年。开口式铅酸蓄电池维护的两种国际业内认同的方法：放电核容与比重检测，只遗留了一种方法给阀控铅酸蓄电池：核容放电。但传统的核容放电无论从维护效率上或者从维护时效上已不能吻合阀控铅酸蓄电池的维护要求。针对阀控铅酸蓄电池的最大特性：密封、离散与突变，让对阀控铅酸蓄电池的应用必须寻求一种更符合其特性、更高效与更具备失效的方法。由于其密封，开口电池的重要辅助测试手段：比重检测，变得不可能；离散与突变性能让一组电池中个别单体在小于6个月的时间突然失效，这样使得传统的核容放电有些力不从心。
研究阀控铅酸蓄电池的辅助测试方法一直是业界追寻的目标。自上个世纪六十年代开始，业界就开始研究铅酸蓄电池内阻与其生命周期的关联性，从大量的测试数据都指向蓄电池内阻增大，容量减少。当内阻增大30-50%时，其容量落入80%的失效范围。时至上世纪90年代中期的美国与欧洲，业界都认识并同意内阻与电池性能的这种具体的数值关联；我们国家在5、6年前，业界也基本认知这种关联性。广东电网率先把这种具体数值关联写入了维护规程。
虽然有了内阻与电池容量有了这种具体数值关联，但是实际应用仍然举步维艰。究其根本，就是内阻的测试没有标准的认定。如果没有标准的测试值，一千种仪器（设备）有一千个不同的结果，仪器设备之间不具备互换性，又如何让蓄电池维护行业接纳内阻测试来维护蓄电池呢？只有通过测试值验证标准的建立和实施，内阻测试才能真正应用到蓄电池的维护中来。
- 二、固定型阀控铅酸蓄电池内阻的标准测试方法
阀控铅酸蓄电池国际公认的测试方法有：
- 经典的核容放电；
- 运行参数测量：电压、电流、温度；
- 内阻测量。
前两项不论在生产阶段或在运行维护阶段，都有标准的测量方法与测量标准，得到业界的认可与广泛的应用；最后一项有适合于生产阶段、实验室进行的测试标准：IEC60869-2（固定型铅酸蓄电池一般要求及实验方法，第二部分 阀控型）和GB-T 19638.2-2005（固定型铅酸蓄电池一般要求及实验方法）都规定了短路电流与内阻的测试方法。运行维护阶段的标准如IEEE1188、DL_T 724-2000（电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程）也都规定了等同于IEC60869-2、GB-T 19638.2-2005标准的短路电流与内阻的测试方法，即二次放电法。
如何认识上述标准所规定的蓄电池内阻测试方法的准确性和误差范围是将内阻测试应用于蓄电池运行维护的关键。
蓄电池的内阻包括欧姆电阻、浓差极化内阻和电化学极化内阻，浓差极化内阻和电化学极化内阻是蓄电池充放电过程的动态参数，浓差极化内阻只占整个内阻的极小部分，不超过3%，电化学极化内阻的生成过程滞后于浓差极化内阻，至少在电量放出5-10%才开始规模增长。蓄电池性能的退化只跟欧姆电阻有关，IEC60869-2在设计内阻测量方法时就基本只考虑电池的欧姆电阻，其规定：
第一点（Ua,Ia）
以电流Ia=4×I10 (A)放电20s，测量并记录蓄电池的端电压Ua值，间断5min。不经再充电确定第二点。
第二点（Ub,Ib）
以电流Ib=20×I10 (A)放电5s，测量并记录蓄电池电压Ub值。
由上面的规定的方法可以看出，第一、二点所放出的电量不到额定荷电量的2%（约为1.7%），此时电化学极化内阻基本尚未生成。内阻的计算是假设两点测量的电池电动势Ea-Eb≈0。即：
此时的浓差过电位可以由如下公式估算得到：
E=E0-Δφ+ +Δφ- = E0 – (RT/nF)ln(1+i/iM) + (RT/nF)ln(1-i/iM)
i为电流密度，iM极限电流密度。R──气体常数8.3143 J·K·mol ， T──绝对温度K ，热力学温度，等于[t（℃）+273.15K]，F──法拉第常数=NA（阿伏伽德罗常数）×e（每个电子的电量）（96500库仑），n──电极反应中得失的电子数 ，此式n=2。
取iM=i40（即40I10电流下的电流密度）；由上式可计算出：
Ea-Eb≈11mv，100AH-3000AH的单体Ua-Ub约为150mv-2800mv，安时数越大，Ua-Ub的值也大。由此方法的估算测量误差：
（Ea-Eb）/（Ua-Ub）≤7%
从上所述，我们可以清楚的看到，IEC60869-2、GB-T 19638.2-2005标准的短路电流与内阻的测试方法的正确性。
- 三、在IEC60869-2、GB-T 19638.2-20051的基础上建立内阻测试比对标准
- 从上面的表述我们清楚的看到，虽没有一个具有标准内阻的电池，但有电池内阻的标准测量方法，此标准方法虽不能直接应用于运行维护的测量，但却能应用于检测中心对直接用于运行维护的内阻测试设备或仪器的准确度进行比对测试。也即是说，对于直接应用于与性维护的内阻测试设备或仪器，你可以使用你认为最有效与最可行的方法，对同一节电池，你的测试值必须与使用IEC60869-2的方法所测的值在误差范围内等同。这样对蓄电池运行维护使用来说，在目前还没有更进一步的内阻测试标准建立之前，是最有效的和最公平的方法。只有在这个基础上，才能让内阻测试得以广泛应用，使之成为像比重测量在开口电池上的应用一样，成为阀控铅酸蓄电池除了核容测试之外的一个重要辅助测试手段。
- 内阻值与电池性能的关系，主要是内阻增量与容量的关系。对蓄电池的内阻测量设备，除了测量其基础值外，还要考量其对增量测量的准确性。必须建立增量测试检测规范。增量检测一般比较简单，那就是在电池极端附加一系列微小标准电阻，如25、50、100、150、200微欧，内阻测试设备分两次测量电池本身内阻及包含标准小电阻，如果两次的差值是标准电阻的值，那证明测量设备对电池的内阻增量测试是准确的。
只有通过上面所述内阻比对测量标准和增量测量标准的建立，才能让内阻测试全面进入到阀控铅酸蓄电池的运行与维护的应用中来。才能终止去判断“你别管我用何种方法，我能帮你检测出落后电池或失效电池。”这句话的真伪。所有的内阻（或电抗、电导）的制造商都会说自己生产的设备是全球最好，最能检测出电池的好与坏。但没有标准，面对这成百上千的厂家，蓄电池运维的管理者又如何去判别呢？何况还不对你描述具体的测量方法的技术实现。
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