深圳市供電局有限公司 楊忠亮

深圳市普祿科智能檢測(cè)設(shè)備有限公司 王汝鋼、白海江

一、引言

VRLA蓄電池在正常情況下無(wú)酸霧和氫、氧氣體排出，無(wú)需加水，且功率密度大，占用機(jī)房面積小，故而在電力、通信、鐵路等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。由于電池可能在數(shù)月之內(nèi)劣化而使無(wú)法提供所需的電量，因而不用費(fèi)時(shí)費(fèi)力核容放電的方法，定期到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電池對(duì)電池快速檢測(cè)，或安裝電池在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，及時(shí)找出壞的電池并進(jìn)行處理或更換，對(duì)確保后備電源系統(tǒng)的安全可靠工作，具有重要的意義。

二、定義

1、額定容量（rating capacity）：電池生產(chǎn)廠家在電池上標(biāo)識(shí)的電池容量，其單位是Ah。

2、容量（capacity）：表示電池充放電的能力，通常用電池完全充滿電后，標(biāo)準(zhǔn)條件下（25℃，采用0.1C10恒流放電到1.8V截止電壓）能夠放出的電量表示，其單位是Ah。

容量是對(duì)蓄電池劣化狀態(tài)的評(píng)估，是電池的放電能力，隨著電池使用時(shí)間和延長(zhǎng)，電池容量會(huì)不斷減小。

3、荷電量（SOC：state of charge）：電池當(dāng)前實(shí)際可以放出的電量，其單位可以是Ah，也可以是容量的百分比。荷電量SOC在國(guó)內(nèi)也有不同的叫法，如充電狀態(tài)、剩余電量等

荷電量（SOC）是電池某一時(shí)刻電池的充電狀態(tài)，反映的是電池的此時(shí)所載有的電量。

由于電池自放電，即使在浮充狀態(tài)下，個(gè)別實(shí)際電池可能并未完全充滿電，即荷電量小于100%，此時(shí)蓄電池的容量并不等于荷電量（SOC）。

4、健康狀態(tài)（SOH：state of health）：電池在要求的時(shí)間周期內(nèi)（不僅在現(xiàn)在而且在將來(lái)）能可靠地為負(fù)載供電。電池的健康狀態(tài)SOH可以用電池的容量與額定容量的百分比定量地表示。

三、電池模型

蓄電池是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，其放電及充電反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)及電化學(xué)過(guò)程，真正決定蓄電池容量及荷電量的是電池的化學(xué)和電化學(xué)狀態(tài)。圖1是電池的Thevenin數(shù)學(xué)模型，其中各參數(shù)的數(shù)值可以用多頻點(diǎn)蓄電池測(cè)量技術(shù)測(cè)得。

圖1：電池的Thevenin數(shù)學(xué)模型

在電池的數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)含義如下：

E：蓄電池電動(dòng)勢(shì)，數(shù)據(jù)上等于二氧化鉛電極與鉛電極電勢(shì)之差，與電解液濃度有關(guān)；

R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻，與極板微孔隙的數(shù)量和孔徑大?。姵氐牧蛩峄斐蓸O板微孔隙的數(shù)量和孔徑減小而使電阻增加）、隔膜飽和度（電池失水造成隔膜飽和度下降而使電阻增加）、溫度（溫度降低使電阻增加）等因素有關(guān)；

R2：蓄電池極化電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化的電阻；

C2：極板雙電層電容，包括正極板雙電層電容的和負(fù)極板的雙電層電容。

四、處于浮充狀態(tài)的電池各參數(shù)與電池容量、荷電量的關(guān)系

1、電池內(nèi)阻（R1歐姆電阻）與電池容量的關(guān)系

電池容量反映電池的劣化狀態(tài)。隨著電池使用時(shí)間和延長(zhǎng)，電池容量會(huì)不斷減小。大量的研究和統(tǒng)計(jì)都表明，對(duì)于VRLA鉛酸蓄電池，造成電池劣化的主要原因是失水、硫酸化、極板腐蝕、熱失控，并且電池的劣化程度與電池的內(nèi)阻不明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在1992年和1993年國(guó)際能源會(huì)議的相關(guān)論文中，對(duì)蓄電池的浮充電壓、內(nèi)阻與電池容量的相關(guān)性作了詳細(xì)的論證，論文作者測(cè)試了1200多個(gè)電信部門(mén)、UPS系統(tǒng)和鐵路信號(hào)設(shè)施的VRLA電池。

圖2：浮充壓電與電池容量的關(guān)系

（1）電池電壓與電池容量的關(guān)系

實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)浮充電壓進(jìn)行VRLA電池檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果存在一定誤差，甚至有浮充電壓正常但放電時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重故障的情況。圖2對(duì)電池的數(shù)據(jù)用方框法分析148節(jié)電池浮充電壓和容量的相互關(guān)系，結(jié)果表明，預(yù)測(cè)有容量缺陷（＜80%）的電池成功率為0/146=0%。

可見(jiàn)，在放電過(guò)程中測(cè)量電池的電壓，可以預(yù)測(cè)電池的容量，而電池浮充電壓與容量無(wú)明顯相關(guān)性，對(duì)浮充的電池進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)電池的容量，雖然必要，但也是不可靠的。

（2）電池內(nèi)阻與電池容量的關(guān)系

圖3（a）分析了電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）與容量的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.86。

圖3（b）用方框法分析336節(jié)電池內(nèi)阻和容量的相互關(guān)系，可知，總的成功率為（259+36）/336=88%（好+壞），識(shí)別有容量缺陷的電池（＜80%）的電池成功率為（259）/（259+6）=98%。

可見(jiàn)，電池電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）與電池的容量具有明顯的相關(guān)性，內(nèi)阻高的電池容量差，可以作為現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)及判斷電池好壞的指標(biāo)。

為確保變電站直流系統(tǒng)的安全性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)蓄電池的內(nèi)阻測(cè)試工作，蓄電池內(nèi)阻的在線監(jiān)測(cè)可以監(jiān)測(cè)到蓄電池內(nèi)阻的變化趨勢(shì)，是早期發(fā)現(xiàn)落后電池的有力措施。

IEEE1186、1188中明確規(guī)定，如果電池內(nèi)阻大幅度（20%或以上）偏離初裝值或整組平均值，應(yīng)對(duì)該電池進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，如仍達(dá)不到要求，則應(yīng)更換。

2、電池內(nèi)阻（R1歐姆電阻）與電池荷電量（SOC）的關(guān)系

圖4：電池內(nèi)阻與電池荷電量（SOC）的關(guān)系

圖4是對(duì)電池放電過(guò)程中不斷測(cè)試內(nèi)阻，得到的電池內(nèi)阻與電池荷電量（SOC）的關(guān)系，從圖中可以看到，在電池放電有前期階段，電池的內(nèi)阻基本不變，只有到放電快結(jié)束時(shí)，電池的荷電量（SOC）小于20%時(shí)，電池的內(nèi)阻才有明顯變化。

五、電池的荷電量（SOC）與電池的電壓U、歐姆電阻R1、極化電阻R2、雙電層電容C2的關(guān)系

圖5：蓄電池放電及充電過(guò)程中R1、R2、C2、U、I的變化

圖5是對(duì)不同廠家、有同容量電池進(jìn)行充放電試驗(yàn)，過(guò)程中采用多頻點(diǎn)蓄電池測(cè)試技術(shù)不斷測(cè)試蓄電池的電壓U、歐姆電阻R1、極化電阻R2、雙電層電容C2。

可見(jiàn)，電池雙電層電容C2對(duì)電池荷電量SOC是極為敏感的，可以作為估算電池SOC的指標(biāo)；蓄電池極化電阻R2對(duì)充電過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)很敏感，可以作為電池充滿電的標(biāo)志，防止電池過(guò)充時(shí)的水解反應(yīng)而降低電池的使用壽命。

根據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以制作電池荷電量（SOC）檢測(cè)及監(jiān)測(cè)儀器，用于今后變電站的電池狀態(tài)預(yù)測(cè)及評(píng)估。也可以用于站用充電機(jī)均充、浮充等條件的轉(zhuǎn)換，對(duì)電池的維護(hù)有極其重要的意義。

六、結(jié)論

1、電池電池內(nèi)阻與電池的容量具有明顯的相關(guān)性，內(nèi)阻大的電池容量差，可以作為現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)及判斷電池好壞的指標(biāo)。

2、電池荷電量SOC與電池的內(nèi)阻無(wú)明顯的關(guān)系，特別是在SOC大于50%的情況下。但作為判斷電池的荷電量（SOC）小于20% 的條件，是切實(shí)可行的。

3、在浮充條件下，僅憑電壓來(lái)判斷電池的好壞是不可行的。

4、根據(jù)電池的模型及多頻點(diǎn)測(cè)試方法，對(duì)電池的荷電量（SOC）及容量進(jìn)行預(yù)測(cè)是切實(shí)可行的。