蓄电池测试维护技术分析
一、内阻测试技术
1.1 纯直流瞬间大电流放电法测试蓄电池内阻的理论依据
1.1.1 蓄电池的内阻结构
从蓄电池的内阻结构上来看，蓄电池的电阻由电极材料、隔膜、电解液的浓度、引线柱、板极的尺寸结构和装配因素决定；其性质符合欧姆定律关系，称为欧姆电阻；欧姆电阻存在发热和功耗；此欧姆电阻的值充分反映在蓄电池容量存储能力、蓄电池内部化学反应过程是否充分、水循环过程是否平衡。当有电流存在时，由于电化学极化和电解液浓度极化的原因，不符合欧姆定律关系极化电阻显现，这种极化电阻不同时期测试的结果会有不同结论，不能反应蓄电池的本身性能状态，而且会无形的掩盖欧姆电阻部分的变化。
1.1.2 本方案中使用的纯直流瞬间大电流放电法测试蓄电池内阻的技术说明
如图例所示，由被测电池向负载放出大电流70A，时间约3.25秒，测量放电电压稳定后的瞬间断电压差与电流值进行科学计算出电池的内阻 R内阻。
图1. 340安时单体和典型负载测试响应曲线
纯直流瞬间大电流放电法采用加纯阻性负载法，是利用零瞬间技术(ZERO TIME)，考虑到蓄电池断开负载后其电势会马上回升的特性，在断开瞬间同时读取通路与断路电压以及通断电流差，从而计算出精确的内阻。测试中3.25秒时间足够进入一个稳定期，时间的误差会根本与电压的取值无关，同时也跳过初始放电过程中下降变化段，排除电压和电流下降过程的交流分量，从而确保计算的值是直流电阻值，使其能真正反映电池特性，同时，由于测试电流大，不但使压差读数精确，而且具备很好的抗干扰能力，读数稳定，不受充电回路波纹电压的影响。
1.1.3 纯直流瞬间大电流放电法对电池会有伤害吗？
我们认为，虽然是大电流，但因为是瞬间测试，根据规程测试中的电流与测试时间的对应关系计算方法，假设按70A为一个小时放电率计算，电池安时数在137AH以上都是正常的测试，何况是瞬间？可见70A的大电流瞬间放电完全在蓄电池的允许工作电流范围和时间内，不会对电池造成任何伤害。我们以蓄电池进行在线监测的目的是积累蓄电池的运行内阻数据，得到它的运行趋势，提前发现蓄电池变坏的拐点，将故障排除在发生前。
1.1.4 纯直流瞬间大电流放电法测试精度
| 项目 |
测试范围 |
分辨率 |
测量精度 |
所有的电池/模块通道 |
0至15V |
0.01V |
0.1%±1mV |
总电压通道 |
0至600V |
0.1V |
0.1%±0.10V |
内阻 |
0至99990uΩ |
1 uΩ |
2% (重复精度) |
电池列间电阻 |
0至5000uΩ |
1 uΩ |
0.1%±5μΩ |
温度通道 |
－40℃至70℃0 |
1℃ |
±1℃ |
表3. 纯直流瞬间大电流放电法测试精度
1.2 直流电流放电测试估值算法的技术分析
有很多研究者使用了同样使用直流电流放电，但测试过程是对电池加上负载一固定时间，测量起始电压与放电后的电压差，△V=(V0－V1),再除以电流，起名为动态内阻,甚至就叫内阻了；其取值的方法简单容易，但该方法取的电压差具有很大的不稳定性，不同的浮充电压下△V会完全不同；另外其放电时间是极短，时间的取值及误差会根本上影响电压的取值，一旦时间大于一个电池的开始极化时间，其内阻就已经不是一具电池的真正的内阻了，与实际的内阻值相去甚远，所以直流电流放电测试估值算法不是我们研究和维护的一种可取的方法。
1.3 伪瞬间一次放电法及二次放电法的技术分析
现在也有研究者使用的另外一种方法是伪瞬间一次放电法，不是测断开负载时的通断压差，是测加载后电压与浮充电压的压差，且测试电流不大(估计不大于10A)，测试精度也就很难保障；
另一种放电法是二次放电法，在二个不同的电流放电条件下读取电池端电压，再计算内阻，但两次的读数点的误差直接影响测试结果。根据DL/T50044-2004规程附录G中有两种测试内阻的实现方法，其中二次放电法实现的机理是两个不同电流下安时数等效时进行电压比较，但要实现两个测试电流下安时数完全等效，只能借以在实验室的各种测试仪器齐备的条件下，才可以得以准确的实现，因此，有的研究者现在甚至于以不同电流固定的时间进行一个测试比较计算，这从原理上已经完全不符合蓄电池的工作机理和规程的要求了。
1.4 交流注入法的技术分析
一个单体的容量由正负极板形成的, 是传导通路的两个平行部分。通过交流信号或做阻抗测试时, 通路中任何部分的电阻增加都会由电容器掩盖。同时，不同频率的信号所测得的值也不同，对注入信号要求很高，如频率的稳定度和正弦波纯度都直接影响着测试结果。另外，在线测试时也易受充电器的纹波和谐波的干扰。
图2. 交流注入法和直流注入法比较
另外，由于注入的交流信号，共模干扰及其它交流谐波干扰的剔除是非常困难的，同时由于蓄电池本身寄生电容的影响，导致读数跳变幅度较大。而且，阻抗/电导与容量并没有线性的对应关系。
1.5 测试设备的几个注意点
1.5.1 分辩率对测试结果的影响
如果一种分辩率0.1毫欧的测试方法，即是100微欧，误差是3个字+2%，也就是: 300(=3*100)微欧+2%，用其来测试变电站100AH/2V以上的电池(内阻约为1500微欧左右)已经不能达到测量要求，因为设备的本身的误差已超过了25%，以下是典型的几种内阻参考经验值:
| 电压 |
12V |
2V |
2V |
2V |
2V |
2V |
2V |
安时数 |
100AH |
100AH |
300AH |
500AH |
800AH |
1000AH |
2000AH |
内阻参考值(uΩ) |
9000 |
1500 |
500 |
300 |
225 |
200 |
120 |
表4. 典型的几种内阻参考经验值
是否所有的仪器都还能保证测试的准确性、稳定性？其内阻的变化是否可以被测试出来？从上表中我们不难发现，分辩率不高的设备对于变电站常用容量300～500AH电池，尤其是对于500KV以上变电站、发电厂常用的800～2000AH的电池，根本无法实现内阻性能的变化的有效测试。
1.5.2连接电阻的测试能力
在蓄电池维护实际工作中有一个很容易引起忽略的一个问题：是电池间的连接问题(连接电阻过大)，连接电阻过大会影响蓄电池的运行，在正常运行过程可能相邻电池会出现长期欠充状态，以至提前损坏，继而影响相邻其它电池，连接的问题主要出现三个方面：
(1)安装施工过程的遗漏某些镙栓未拧紧固。
(2)蓄电池间的连接线压接头压接不良，连接线铜条随时间发生的质的变化。
(3)随着运行时间的加长，因环境的冷热的交替变化，镙栓的惯性松动。
(4)蓄电池架上层间的连接线。
以上这些问题，如果不是明显的松开，仅验收凭手感和视觉并不能发现。所以连接电阻有效检测是工程验收和日常维护的一个必要的内容。
1.5.3产品的电磁兼容能力
由于在变电站、动力间等蓄电池及其设备运行的环境中不可避免存在着比较强电磁干扰，另外，由于近年来高频技术的大量采用，UPS、充电机的相关回路中都具有高频信号在产生，所以无论是在线监测仪还是移动式的测试仪，环境对我们的产品要求具备强的抗干扰能力。
二、核对性放电技术分析
2.1变阻式直流放电原理
变阻式是经典的直流恒流放电法,完全符合蓄电池的工作机理，采用可编程技术可以设定电池组电压、放电电流/功率、放电时间、放电终止电压等参数和阀值，系统根据设定值通过大功率直流继电器自动调整的线性电阻值,以适应放电过程中不断变化的电压，以保持恒流放电，即符合W=I*V恒等的电学原理。
2.2定阻式高频放电原理
定阻式高频放电的放电负载多数为硅堆或电阻模块，由于负载为不可变的定阻，在电池组的放电过程中，必须符合W=I*V这一电学原理，既然W是不变的量，当V不断变化时，I(电流)必然跟着变化，为了满足I(电流)恒流放电，如下图：
图3. 定阻式高频放电原理
必须采用10KHz或以上的高频斩波降压技术,由控制器控制PWM波形输出脉宽，经功率放大后驱动开关管，以交流变阻(脉冲调宽)的方式控制放电电流的大小，来满足恒流放电,控制方式如下：
当放电电流与设定值相等，PWM波形为给定脉宽，保持电流恒定；
当放电电流小于设定值，PWM波形增大脉宽，使放电电流增加；
当放电电流大于设定值，PWM波形减小脉宽，使放电电流减小；
设定值是调整PWM波形以合适的脉宽比驱动开关管,使电流始终保持与给定值恒定。
由上述原理，定阻高频放电实际是一种脉冲式恒流，是定阻假负载，而非恒流负载，放电时因为有脉冲干扰导致测试不准。过程按“正脉冲瞬间放电——开路中断——充电(自恢复)——正脉冲瞬间放电”不断循环。所以这种方法有两个致命的缺陷：
随着类似于脉冲式的负载电流的增加，电池输出的电压会随着电流的变化和电池内部电阻的变化下降。当电压降低时，如果此时断开负载，就会发现电压升高有一个台阶，它的产生是因为电池内部压降的变化。在整个放电过程中，不断的快速放电和充电，这对电池将造成极大的损害，这也是电力工业部有关规范不允许对直流系统采用高频开关进行放电的原因；随着电池充放电次数的不断累积，蓄电池内部化学反应的次数就越多，蓄电池加速老化。
功率开关器件的开断是脉冲高频，测试过程易受到干扰，输出电压含有的交流成分较大，当电压波动或偏低时，会出现蓄电池脉冲放电充电，对电池不利，影响了蓄电池的使用寿命，另外在不断的高频放--充电过程中，会造成蓄电池化学反应有失衡过程，甚至会产生析气和热冲击，严重的析气也使正极板腐蚀，将严重损坏蓄电池。所以，高频功率开关器件的频繁开断会产生较大纹波以及很大功率的电磁干扰，这对设备运行环境造成极大的干扰。
2.3两种方法的技术比较简表
| 比较项目 |
变阻式直流放电 |
定阻式高频放电 |
负载特性 |
变阻式线性负载，可实现真正的纯直流，符合蓄电池工作特性 |
定阻式负载，由高频开关通断控制
(实际是一种假负载模式) |
恒流方式 |
大功率直流白金触点继电器控制，根据电池组电压的动态变化，自动调整电阻值，以达到放电过程恒流或恒功率 |
高频脉冲式调频宽控制达到恒流
(实际是一种间歇均流模式) |
安全性 |
工业级设计，寿命20年对电池无任何损害 |
功率开关管易损坏，易造成电池正极板腐蚀，易加速蓄电池老化 |
干扰 |
无 |
会产生大功率的脉冲电磁干扰和较大纹波，影响周围设备运行 |
表5. 变阻式直流放电和定阻式高频放电技术比较表
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