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文檔簡介
1、關(guān)于內(nèi)阻測(cè)試原理隨著蓄電池從開口式密封式到VLRA(閥控鉛酸電池)的演化,以及UPS系統(tǒng)的大規(guī)模使用,采用一種經(jīng)濟(jì)可靠的方法建立電池的容量和傳導(dǎo)途徑形態(tài)的工作被擺到了重要的位置。通過測(cè)量電池的內(nèi)阻及浮充電壓和電池特性曲線便可以確定電池性能狀態(tài)。對(duì)于建立蓄電池容量和傳導(dǎo)途徑新方法的研究工作一直都沒有停止過。傳統(tǒng)認(rèn)為,電池的容量是在恒流或恒功率下,在一定負(fù)載下達(dá)到最終電壓的額定時(shí)間,它是由制造商決定的。新電池實(shí)際容量比它的額定容量一般要大20%左右。電池專家們一致認(rèn)為受控情況下的負(fù)載測(cè)試,仍是確定電池容量的唯一正確的方法。這些情況反映在美國的幾個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)中;最新的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表于1995年。但是,人們通
2、過多年的研究和試驗(yàn)而獲得的經(jīng)驗(yàn),取得了大量的有關(guān)電池特性和測(cè)量方面實(shí)用資料。早在1995年公開發(fā)表電池的等效電路和典型數(shù)值(見圖1)電池的內(nèi)部電路模型,使人們能大致地理解電池內(nèi)部參數(shù)與它的傳導(dǎo)途徑和容量的關(guān)系。.電池內(nèi)部電路模型的主要元件是電阻、電感和電容。研究人員使用了各種儀器和方法對(duì)電池進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試頻率從幾赫茲到幾千赫茲,以試圖在這些元件與電池的容量之間建立起某種關(guān)系。但得到的結(jié)果常常是混淆的或相反的。對(duì)于差不多所有典型的蓄電池應(yīng)用,電感對(duì)于電池的性能影響是非常小的,這是因?yàn)樗臄?shù)值實(shí)在太?。▋H有0.05到0.2微亨)。而另一方面電池的電容又出奇的大,每100安時(shí)容量即可達(dá)到1.7法拉。
3、這對(duì)于充電器制造商們是個(gè)好消息,他們可以利用電池的這個(gè)特性對(duì)充電器的輸出電壓進(jìn)行濾波。但是,極少有證據(jù)顯示出電容與電池容量的關(guān)系。個(gè)別研究人員覺得容抗與電池容量的有一定的關(guān)系。但不管怎么說,電化學(xué)電阻隨著測(cè)試頻率的增加而增加。測(cè)出的阻抗和導(dǎo)納讀數(shù)中同時(shí)包含了電容和電感的因素。實(shí)際的內(nèi)阻我們?cè)谘兄苾?nèi)阻測(cè)試儀的過程中,精選出一個(gè)電池模型,(見圖2)這個(gè)模型將電池的內(nèi)阻劃分為金屬電阻和電化學(xué)電阻。這些阻抗是不隨測(cè)試頻率變化的。在研究電池容量關(guān)系的過程中,為了獲得最佳的結(jié)果。研究人員甚至使用了極低的頻率甚至零頻率直流放電。(享有很高聲望的日本電話電報(bào)公司是一個(gè)關(guān)注電池內(nèi)阻的研究單位。他們的研究人員得出
4、了正是由于內(nèi)阻的增加,從而導(dǎo)致了鉛酸電池性能退化的結(jié)論。通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié),他們認(rèn)為用測(cè)量電池的內(nèi)阻的方法可估算出85%的退化電池。) 留意下面圖(圖3)容量與普通內(nèi)阻的曲線,這只是一個(gè)近似的曲線。多數(shù)人認(rèn)為電池內(nèi)阻與容量之間不應(yīng)只是一條簡單的直線關(guān)系,實(shí)際上應(yīng)該是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的非線性函數(shù)。部分人認(rèn)為直線不能描述電池的容量關(guān)系,這是因?yàn)樵陔姵胤烹娺^程中金屬電阻和電化學(xué)電阻問題所顯示出不同的特性。典型100%容量電池的放電曲線如圖4。顯而易見,增加的內(nèi)阻對(duì)電池的容量有著負(fù)面的影響,電池內(nèi)部的功率消耗應(yīng)為I2×R電池內(nèi)阻。由于這部分的能量沒有得以真正利用,從而造成實(shí)際容量的減少。在放電
5、過程中電池容量的減少,與電池內(nèi)部金屬電阻和電化學(xué)電阻變化的依賴關(guān)系是不同的。金屬內(nèi)阻電池的內(nèi)部傳導(dǎo)途徑一直困擾著大多數(shù)電池測(cè)試方面的專家。因?yàn)殡姵匦阅芡嘶F(xiàn)象發(fā)生得特別快,這種情況可以在每年、甚至更短的容量測(cè)試間隙期間出現(xiàn)。報(bào)廢電池的反常內(nèi)阻說明了電池的極柱、內(nèi)部的匯流排及板柵已成為化學(xué)腐蝕、較差的焊接質(zhì)量及鑄鉛時(shí)的犧牲品。這時(shí)會(huì)看到插入液體中銅表面的腐蝕或已從鉛質(zhì)極柱脫落的狀況。從圖5中可以清楚地看到由于高的金屬電阻而造成的電池容量的損失。極柱上的輸出電壓從放電開始到結(jié)束一直在減少。電化學(xué)電阻涂膏、電解質(zhì)和隔離器構(gòu)成了電池內(nèi)阻中的電化學(xué)部分。長時(shí)間的使用會(huì)造成活性物質(zhì)減少或涂膏老化,使電池的
6、電化學(xué)電阻不斷增加。在電池充放電時(shí)電解液的比重變化、以及隔離器的成份或其表面的化學(xué)構(gòu)成的改變,也都會(huì)使電池的電化學(xué)電阻產(chǎn)生暫時(shí)的變化。隔離器蠕變、堵塞、短路或者硫化現(xiàn)象,常常會(huì)使電池出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象及電化學(xué)電阻的增加。但在閥控鉛酸電池接近報(bào)廢時(shí),電解液的干涸是第一號(hào)敵人。圖6說明了電池的電化學(xué)電阻特性。除非電池進(jìn)行過度放電(象耗盡燃料的汽車),否則它的容量不會(huì)有明顯的減少。而另一方面金屬電阻則可以看成是油量表的指針。金屬電阻和化學(xué)電阻造成電池額定容量和實(shí)際容量差距最大的兩個(gè)原因。內(nèi)阻與電池的老化內(nèi)阻為電池的老化提供了線索。電池的老化過程是基于設(shè)計(jì)時(shí)的材料和結(jié)構(gòu)退化的速度。比如正常的電池壽命,是
7、指溫度為75,以及在特殊的浮充環(huán)境及規(guī)定深度的放電和頻率情況下的壽命。緩慢傳導(dǎo)路徑的腐蝕,極板上活性物質(zhì)的脫落,板柵的變形以及VRLA電池液的揮發(fā),所有這些自然過程都是促使了電池壽命的終結(jié)。內(nèi)阻的增加和容量的減小都是電池老化現(xiàn)象的標(biāo)志。通常情況下,電池的容量低于實(shí)際的80%時(shí),其性能會(huì)急速下降,應(yīng)建議更換這個(gè)電池。電池的內(nèi)阻在正常情況下增加得很慢,但是當(dāng)電池的壽命快結(jié)束時(shí),內(nèi)阻會(huì)加速增大。報(bào)廢電池的內(nèi)阻比正?;蛐码姵氐膬?nèi)阻高25%,有些甚至達(dá)50%。溫度與內(nèi)阻了解溫度對(duì)內(nèi)阻的影響是十分重要的。圖7清楚地反應(yīng)了典型的AGM VRLA電池在45下內(nèi)阻和阻抗的快速增加。在溫和的氣候下,對(duì)無溫度調(diào)節(jié)環(huán)
8、境下的VRLA電池,應(yīng)考慮季度間測(cè)量的電池內(nèi)阻的不同變化。測(cè)試時(shí),同時(shí)記錄環(huán)境溫度,會(huì)節(jié)省做進(jìn)一步測(cè)試的時(shí)間和防止誤報(bào)警。同樣,受到空氣冷卻的電池讀數(shù)要高于鄰近擋風(fēng)處的電池讀數(shù)。如果條件許可,試著改變一下電池房內(nèi)空氣流動(dòng)的方向。通過確定電池的內(nèi)阻來判別電池的反常情況和正常的老化。由于采用了直流技術(shù),因此它可以準(zhǔn)確的重復(fù)測(cè)量在線電池的內(nèi)阻。紋波電流、60Hz電場(chǎng)、噪聲以及一般的浮充電流都不會(huì)對(duì)儀器產(chǎn)生實(shí)際的影響。電池制造商通常利用簡單的歐姆定律來確定電池的內(nèi)阻。他們的一般作法是測(cè)量電池放電期間的電壓變化以及電流。我們內(nèi)阻測(cè)試的原理見圖8,但是它更快、更精確。圖8中說明了電池與負(fù)載之間的關(guān)系, 電
9、池在負(fù)載接通時(shí), 它的內(nèi)阻會(huì)造成瞬間電壓降。在負(fù)載斷開時(shí),又會(huì)出現(xiàn)恢復(fù)電壓。讀取電流和負(fù)載斷開前和恢復(fù)后的電池電壓。從而簡單地得出R電池內(nèi)阻=V/I。放電的瞬間測(cè)試對(duì)于額定容量小于1000A的電池,放電電流8A的時(shí)間只有3-4秒鐘。而對(duì)于大容量電池來說,這個(gè)時(shí)間則不到10秒鐘。實(shí)際測(cè)試中,在一開始的幾毫秒內(nèi),便能感應(yīng)到電流。如果電池的內(nèi)阻很高,放電電流會(huì)很小,儀器會(huì)將放電立即中止。所以,對(duì)于一個(gè)電池來說,不會(huì)損壞電池。許多人會(huì)想象一個(gè)充滿的蓄電池所儲(chǔ)存能量在減少的同時(shí),電池的內(nèi)阻將會(huì)成比例和有相當(dāng)程度的的增加。從對(duì)鉛酸電池的電化學(xué)方面的理解,大部分的人都會(huì)堅(jiān)持這個(gè)觀點(diǎn)。但實(shí)際情況是在電池的能量
10、消耗50%時(shí),內(nèi)阻的增加不會(huì)高于5%。而在連續(xù)放電情況下內(nèi)阻將以一種非線性方式急劇增加。由于電池在放電時(shí)的這個(gè)變化,不具備金屬電阻的特性。因此可以得出下面的結(jié)論:1)電池內(nèi)阻的主要變化只是電化學(xué)部分電阻的變化。2)電池從100%能量降至終止電壓,電化學(xué)電阻只占電池內(nèi)阻的一小部分。 “基準(zhǔn)值”以及取得它的最佳時(shí)機(jī)電池學(xué)者們希望一開始就有可用于分析的電池容量和內(nèi)阻的測(cè)量數(shù)據(jù)。他們尋求找出電池在100%和容量100%時(shí)的內(nèi)阻數(shù)據(jù),以確定電池所處的狀況。理想的做法是在電池的安裝工作完畢后。對(duì)電池進(jìn)行驗(yàn)收時(shí),進(jìn)行容量測(cè)試并測(cè)定內(nèi)阻。此時(shí)的結(jié)果應(yīng)是非常一致的。它們會(huì)被做為基準(zhǔn)值。用來同以后測(cè)量到的內(nèi)阻數(shù)據(jù)
11、進(jìn)行比較。不幸的是,在大多數(shù)環(huán)境下,這僅僅是個(gè)幻想。因?yàn)榘惭b現(xiàn)場(chǎng)選取工具的倉促和混亂。結(jié)果是失去取得基準(zhǔn)值的最好時(shí)機(jī)。另一個(gè)獲取數(shù)據(jù)的方法,是在對(duì)同期同型號(hào)的電池測(cè)定完容量后,再取得同型號(hào)電池內(nèi)阻的數(shù)據(jù)。注意:以上提到的電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)與容量之間并沒有直接的關(guān)系,它只能是做為了解電池容量的一個(gè)比較和參考。要特別注意的是,這些數(shù)據(jù)是用來建立一套基準(zhǔn)值的。通常在浮充的情況下會(huì)出現(xiàn)一串電池的內(nèi)阻是一致的,但容量方面卻存在問題。這時(shí)建議至少要做大致的維護(hù)及負(fù)載測(cè)試,以對(duì)測(cè)量的內(nèi)阻進(jìn)行驗(yàn)證。判別方法如果電池的內(nèi)阻高于100%基準(zhǔn)值的50%或更高,則應(yīng)更換這個(gè)電池。其中建議內(nèi)阻在高于基準(zhǔn)值25%至43%時(shí),要與生產(chǎn)商聯(lián)系。在高于43%時(shí),要使用ASAP對(duì)其進(jìn)行負(fù)載測(cè)試。有些人認(rèn)為:所有(新電池或性能完好電池)的數(shù)據(jù)都集中在基準(zhǔn)值周圍,而后期測(cè)試取得的數(shù)據(jù),都能合理地接近任何趨勢(shì)曲線。也即是,高容量電池有統(tǒng)一的低內(nèi)阻,而低容量電池的內(nèi)阻會(huì)按比例增高。但事實(shí)卻使這些人失望,就算在嚴(yán)格控制下生產(chǎn)出來的新電池也不可能符合上述特性。在用戶自行測(cè)試過程中,會(huì)發(fā)現(xiàn)有一些大容量電池的內(nèi)阻非常高。同樣,具有低阻
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