直流充電法在蓄電池內(nèi)阻分析中的實(shí)用性探究

鄧榮輝（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局,廣東 江門 529000）

蓄電池是直流系統(tǒng)中的重要組成部分，也是變電站失去關(guān)鍵電源后的最后一道防線，因此蓄電池的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行有直接的影響，也會(huì)影響到整個(gè)變電站的安全可靠運(yùn)行。直流系統(tǒng)的負(fù)荷。蓄電池實(shí)際可等效于一個(gè)帶有內(nèi)阻的電壓源，不僅電流、電壓是反映其電池性能的重要電學(xué)參數(shù)，內(nèi)阻也是非常重要的參數(shù)之一。過(guò)去對(duì)蓄電池性的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)法對(duì)蓄電池組的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線反映，導(dǎo)致不能有效管理、控制電池。近年來(lái)，內(nèi)阻測(cè)量評(píng)價(jià)蓄電池組性能的方法得到廣泛認(rèn)可。下面筆者就目前最主要的2種蓄電池內(nèi)阻測(cè)量方法進(jìn)行分析，探索出一種可實(shí)時(shí)在線精確測(cè)量?jī)?nèi)阻的直流充電法，具體分析如下。

這種測(cè)量方法的基本原理是蓄電池中通過(guò)一恒定電流I進(jìn)行充電的過(guò)程中，如果在短時(shí)間內(nèi)瞬間增加一個(gè)充電電流△I，那么相應(yīng)的也會(huì)使電池內(nèi)阻增加電壓，產(chǎn)生電壓增量△U，具體變化如下圖1所示。

1 測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的常用方法

1.1 常用的主要內(nèi)阻測(cè)量方法

1.1.1 交流注入法

該種方法主要是指將一個(gè)低頻交流電流信號(hào)（△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(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，用△U表示，其表達(dá)式為△U=Usin（wt+ψu(yù)），其中w表示角頻率，U表示響應(yīng)的幅值，而ψu(yù)表示初相角。想要計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻（R），只要將電池兩端響應(yīng)的電壓信號(hào)△U測(cè)量出來(lái)即可，可得計(jì)算公式如下：

目前在蓄電池內(nèi)阻測(cè)量中應(yīng)用最多的方法也是交流注入法，該種測(cè)量方式對(duì)整個(gè)直流系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生很大的影響等，在整個(gè)蓄電池使用期間內(nèi)都可精確測(cè)量，且對(duì)蓄電池的性能也不會(huì)造成很大影響。據(jù)相關(guān)資料顯示，該種方法的測(cè)量精度超過(guò)1%。但是交流注入法饋入信號(hào)是有限幅度，蓄電池的內(nèi)阻基本屬于μΩ級(jí)或者mΩ級(jí)，因此響應(yīng)的電壓變化幅值也處于μΩ級(jí)，變電站電磁場(chǎng)、充電機(jī)紋波極易干擾信號(hào)。特別是在線對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，產(chǎn)生的影響會(huì)更加明顯。但是如果重復(fù)測(cè)量，也會(huì)產(chǎn)生一定誤差，因此測(cè)量精度無(wú)法保證。

1.1.2 直流放電法

這種測(cè)量方法的主要原理是在蓄電池的兩端，在其脫機(jī)或靜態(tài)情況下接入放電負(fù)載，然后當(dāng)前的蓄電池內(nèi)阻R可以按照不同放電電流測(cè)量電池的電壓變化值進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)阻的計(jì)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(cè)量最大的優(yōu)點(diǎn)就體現(xiàn)在對(duì)于環(huán)境要求相對(duì)較低，電池在線狀態(tài)也可精確測(cè)量電池內(nèi)阻，并不會(huì)受到變電站其他噪聲或者充電機(jī)紋波的影響，也可以重復(fù)測(cè)量，重復(fù)精度較高，測(cè)量精度也較高。但是該種測(cè)量條件是必須在蓄電池位于脫機(jī)或靜態(tài)狀態(tài)下才可測(cè)量，需要大電流放電，且電池電壓在整個(gè)放電的過(guò)程中會(huì)連續(xù)變化，導(dǎo)致在計(jì)算電阻時(shí)很難選擇穩(wěn)定區(qū)的電壓值，如果重復(fù)測(cè)量時(shí)，勢(shì)必會(huì)損害蓄電池。

1.2 直流充電法

根據(jù)上述分析，交流注入法、直流放電法在內(nèi)阻測(cè)量中都有自己的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。但筆者經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，電池內(nèi)阻在充放電時(shí)的變化具有一定的規(guī)律性，若能夠及時(shí)、全面對(duì)蓄電池內(nèi)阻變化情況進(jìn)行了解、掌握，那么可不用精確測(cè)量電池內(nèi)阻，即可采取有效的管理、控制措施。鑒于以上2種內(nèi)阻測(cè)量方法很難真正在線實(shí)時(shí)測(cè)量，因此筆者研究出一種可在蓄電池充電過(guò)程中進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)瞬間電壓波形以及電流波形

R的計(jì)算公式：

1.2.2 實(shí)現(xiàn)直流充電法的電路

在單片計(jì)算機(jī)的控制下，可控充電電流電路會(huì)向電池組或者被充電電池提供直流充電電流，而電流檢測(cè)電路主要作用是單片計(jì)算機(jī)充電電流大小的測(cè)量以及對(duì)調(diào)節(jié)電流的反饋，且主要是蓄電池兩端瞬時(shí)電壓的測(cè)量，并且向單片計(jì)算機(jī)傳輸測(cè)量結(jié)果。然后單片計(jì)算機(jī)會(huì)結(jié)合電池端的電壓變化將內(nèi)阻計(jì)算出來(lái)。同時(shí)還可以對(duì)充電電流修正增量進(jìn)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(jìn)而循環(huán)達(dá)到最佳的充電控制效果。

2 直流充電法的探究實(shí)驗(yàn)

2.1 直流充電法的實(shí)驗(yàn)步驟

首先應(yīng)完全放出實(shí)驗(yàn)蓄電池的電量，并且假設(shè)蓄電池為未充電狀態(tài)，也即是充電電流I0=0mA。第1次對(duì)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(cè)量出來(lái)。疊加充電電流后，只要持續(xù)以該電流充電即可連續(xù)補(bǔ)充電池組的能量，也會(huì)影響電池電壓變化，因此，應(yīng)分2次分別測(cè)量每一個(gè)充電電流平臺(tái)的電壓，具體的電壓測(cè)量法如下圖2。

圖2 應(yīng)用直流充電法的電壓測(cè)量圖

電阻計(jì)算公式：

可以結(jié)合電池內(nèi)阻大小對(duì)電池容量進(jìn)行判斷，也可明確充電電流增量的值ΔI。在疊加下一個(gè)充電電流時(shí)，應(yīng)將周期輸出充電電流的修正量Ii+2（ΔI+Ii+1）進(jìn)行調(diào)整。然后將電池組充電電流變化前后的兩端電壓值精確測(cè)量，從而計(jì)算出內(nèi)阻，繼續(xù)疊加新的充電電流并調(diào)整電流修正量，一直到將電池內(nèi)阻變化控制得非常小為止。本次設(shè)定調(diào)整充電電流的間隔期Δt=60s/次。

2.2 整理內(nèi)阻測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)步驟將內(nèi)阻測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可得到蓄電池內(nèi)阻和電池容量在處于直流充電狀態(tài)的一個(gè)關(guān)系圖，圖像近似于曲線，如圖3所示。

圖3 直流充電法測(cè)量的電池內(nèi)阻和電池容量之間的曲線關(guān)系圖

2.3 分析直流充電法的結(jié)果

根據(jù)圖3的觀察與分析，可得知電池容量較低時(shí)，蓄電池內(nèi)阻在明顯偏大，但是一旦充電后，增加蓄電池容量，電池內(nèi)阻反而會(huì)逐漸減小。電池容量超出40%后，基本上蓄電池的內(nèi)阻變化區(qū)間很小。這個(gè)現(xiàn)象和夏天等人[2]研究結(jié)果基本一致。因此，筆者認(rèn)為直流充電法在蓄電池內(nèi)阻測(cè)量中是可行的。而且這種內(nèi)阻測(cè)量方法操作比較簡(jiǎn)便，也可實(shí)時(shí)在線測(cè)量，在電池管理中的應(yīng)用價(jià)值較高。同時(shí)，筆者在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，可通過(guò)一些措施使內(nèi)阻測(cè)試精度可進(jìn)一步提高：

（1）多點(diǎn)測(cè)量。為盡可能避免電池充電過(guò)程中電壓變化影響造成誤差，建議在每一個(gè)電壓區(qū)間采集3-5個(gè)點(diǎn)同時(shí)測(cè)量，然后取測(cè)量結(jié)果的平均值，最后計(jì)算內(nèi)阻。

（2）去極值平均濾波法。為避免充電電流瞬間造成的負(fù)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(yīng)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(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，直流充電法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，也有效控制、管理蓄電池充電過(guò)程，有利于及時(shí)調(diào)整電路充電電流，使充電目標(biāo)更快、更好的達(dá)成。同時(shí)也可在鑒別蓄電池優(yōu)劣化、蓄電池運(yùn)行維護(hù)中應(yīng)用，實(shí)用價(jià)值較高，可為變電站直流系統(tǒng)蓄電池的監(jiān)控管理工作提供科學(xué)的依據(jù)。

[1]李立偉．鄒積巖．蓄電池內(nèi)阻測(cè)量裝置的研究[J]．電源技術(shù)，2013．

[2]夏天，伍小生，尹小根等．便攜式蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀的研制[J]．電源技術(shù)，2013．

[3]林浩揚(yáng).蓄電池阻抗分析[J].青海電力，2003.