直流充電法在蓄電池內阻分析中的實用性探究

鄧榮輝（廣東電網有限責任公司江門供電局,廣東 江門 529000）

蓄電池是直流系統中的重要組成部分，也是變電站失去關鍵電源后的最后一道防線，因此蓄電池的可靠性和穩定性對于直流系統的安全運行有直接的影響，也會影響到整個變電站的安全可靠運行。直流系統的負荷。蓄電池實際可等效于一個帶有內阻的電壓源，不僅電流、電壓是反映其電池性能的重要電學參數，內阻也是非常重要的參數之一。過去對蓄電池性的安全監測技術無法對蓄電池組的實際運行狀態進行實時在線反映，導致不能有效管理、控制電池。近年來，內阻測量評價蓄電池組性能的方法得到廣泛認可。下面筆者就目前最主要的2種蓄電池內阻測量方法進行分析，探索出一種可實時在線精確測量內阻的直流充電法，具體分析如下。

這種測量方法的基本原理是蓄電池中通過一恒定電流I進行充電的過程中，如果在短時間內瞬間增加一個充電電流△I，那么相應的也會使電池內阻增加電壓，產生電壓增量△U，具體變化如下圖1所示。

1 測量蓄電池內阻的常用方法

1.1 常用的主要內阻測量方法

1.1.1 交流注入法

該種方法主要是指將一個低頻交流電流信號（△I）注入蓄電池回路中，△I=Isin（wt+ψi），其中w表示角頻率，I表示幅值，ψi表示初相角。這樣的話，蓄電池電壓會產生相應的信號，用△U表示，其表達式為△U=Usin（wt+ψu），其中w表示角頻率，U表示響應的幅值，而ψu表示初相角。想要計算出蓄電池的內阻（R），只要將電池兩端響應的電壓信號△U測量出來即可，可得計算公式如下：

目前在蓄電池內阻測量中應用最多的方法也是交流注入法，該種測量方式對整個直流系統不會產生很大的影響等，在整個蓄電池使用期間內都可精確測量，且對蓄電池的性能也不會造成很大影響。據相關資料顯示，該種方法的測量精度超過1%。但是交流注入法饋入信號是有限幅度，蓄電池的內阻基本屬于μΩ級或者mΩ級，因此響應的電壓變化幅值也處于μΩ級，變電站電磁場、充電機紋波極易干擾信號。特別是在線對電阻進行測量時，產生的影響會更加明顯。但是如果重復測量，也會產生一定誤差，因此測量精度無法保證。

1.1.2 直流放電法

這種測量方法的主要原理是在蓄電池的兩端，在其脫機或靜態情況下接入放電負載，然后當前的蓄電池內阻R可以按照不同放電電流測量電池的電壓變化值進行計算。內阻的計算公式可表示為：

其中（U2-U1）表示電池電壓變化值，（I2-I1）表示不同的放電電流。

直流放電法測量最大的優點就體現在對于環境要求相對較低，電池在線狀態也可精確測量電池內阻，并不會受到變電站其他噪聲或者充電機紋波的影響，也可以重復測量，重復精度較高，測量精度也較高。但是該種測量條件是必須在蓄電池位于脫機或靜態狀態下才可測量，需要大電流放電，且電池電壓在整個放電的過程中會連續變化，導致在計算電阻時很難選擇穩定區的電壓值，如果重復測量時，勢必會損害蓄電池。

1.2 直流充電法

根據上述分析，交流注入法、直流放電法在內阻測量中都有自己的優點、缺點，可根據實際情況合理選擇。但筆者經大量實驗研究發現，電池內阻在充放電時的變化具有一定的規律性，若能夠及時、全面對蓄電池內阻變化情況進行了解、掌握，那么可不用精確測量電池內阻，即可采取有效的管理、控制措施。鑒于以上2種內阻測量方法很難真正在線實時測量，因此筆者研究出一種可在蓄電池充電過程中進行在線實時監測的方法——直流充電法。

1.2.1 直流充電法的基本原理

圖1 直流充電時瞬間電壓波形以及電流波形

R的計算公式：

1.2.2 實現直流充電法的電路

在單片計算機的控制下，可控充電電流電路會向電池組或者被充電電池提供直流充電電流，而電流檢測電路主要作用是單片計算機充電電流大小的測量以及對調節電流的反饋，且主要是蓄電池兩端瞬時電壓的測量，并且向單片計算機傳輸測量結果。然后單片計算機會結合電池端的電壓變化將內阻計算出來。同時還可以對充電電流修正增量進行確定，控制可控充電電流電路提供修正后充電電流至蓄電池，進而循環達到最佳的充電控制效果。

2 直流充電法的探究實驗

2.1 直流充電法的實驗步驟

首先應完全放出實驗蓄電池的電量，并且假設蓄電池為未充電狀態，也即是充電電流I0=0mA。第1次對蓄電池充入280mA（I1）電流，將電池組突加充電電流前后兩端的電壓值Ui，2、Ui+1，1精確測量出來。疊加充電電流后，只要持續以該電流充電即可連續補充電池組的能量，也會影響電池電壓變化，因此，應分2次分別測量每一個充電電流平臺的電壓，具體的電壓測量法如下圖2。

圖2 應用直流充電法的電壓測量圖

電阻計算公式：

可以結合電池內阻大小對電池容量進行判斷，也可明確充電電流增量的值ΔI。在疊加下一個充電電流時，應將周期輸出充電電流的修正量Ii+2（ΔI+Ii+1）進行調整。然后將電池組充電電流變化前后的兩端電壓值精確測量，從而計算出內阻，繼續疊加新的充電電流并調整電流修正量，一直到將電池內阻變化控制得非常小為止。本次設定調整充電電流的間隔期Δt=60s/次。

2.2 整理內阻測量數據

根據以上實驗步驟將內阻測量數據進行整理分析，可得到蓄電池內阻和電池容量在處于直流充電狀態的一個關系圖，圖像近似于曲線，如圖3所示。

圖3 直流充電法測量的電池內阻和電池容量之間的曲線關系圖

2.3 分析直流充電法的結果

根據圖3的觀察與分析，可得知電池容量較低時，蓄電池內阻在明顯偏大，但是一旦充電后，增加蓄電池容量，電池內阻反而會逐漸減小。電池容量超出40%后，基本上蓄電池的內阻變化區間很小。這個現象和夏天等人[2]研究結果基本一致。因此，筆者認為直流充電法在蓄電池內阻測量中是可行的。而且這種內阻測量方法操作比較簡便，也可實時在線測量，在電池管理中的應用價值較高。同時，筆者在實驗中發現，可通過一些措施使內阻測試精度可進一步提高：

（1）多點測量。為盡可能避免電池充電過程中電壓變化影響造成誤差，建議在每一個電壓區間采集3-5個點同時測量，然后取測量結果的平均值，最后計算內阻。

（2）去極值平均濾波法。為避免充電電流瞬間造成的負載或沖擊影響，建議將極值去除，采用平均濾波法盡可能將脈沖干擾消除。

（3）提高控制精度。應確保可控充電電流電路的控制精度較高，恒定輸出電流比較穩定。

3 結語

總而言之，直流充電法可實現實時在線測量蓄電池內阻，也有效控制、管理蓄電池充電過程，有利于及時調整電路充電電流，使充電目標更快、更好的達成。同時也可在鑒別蓄電池優劣化、蓄電池運行維護中應用，實用價值較高，可為變電站直流系統蓄電池的監控管理工作提供科學的依據。

[1]李立偉．鄒積巖．蓄電池內阻測量裝置的研究[J]．電源技術，2013．

[2]夏天，伍小生，尹小根等．便攜式蓄電池內阻測試儀的研制[J]．電源技術，2013．

[3]林浩揚.蓄電池阻抗分析[J].青海電力，2003.