閥控鉛酸蓄電池測量設(shè)備的可用性評(píng)估方法

蔣海鋒，萬暢，林樹勝

（1. 廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 珠海 519090；2. 珠海伊托科技有限公司，廣東 珠海 519020）

0 引言

鉛酸蓄電池作為后備電源已被廣泛應(yīng)用于直流電源系統(tǒng)和不間斷電源系統(tǒng)，作為安全的最后一道防線，蓄電池能否正常發(fā)揮作用顯得非常重要。業(yè)界已廣泛認(rèn)同蓄電池內(nèi)阻值直接影響電池實(shí)際容量和使用性能，蓄電池的內(nèi)阻值，尤其是內(nèi)阻值的增量是蓄電池性能退化的重要指示器。因此，從蓄電池上線運(yùn)行開始監(jiān)測其內(nèi)阻值的變化是確保蓄電池性能的重要手段。

盡管IEC 60896-21-2004、IEC 60896-22-2004和GB/T 19638.2—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鉛酸蓄電池的內(nèi)阻水平[1-3]，并定義了標(biāo)準(zhǔn)的二次放電法用以測量蓄電池的內(nèi)阻值，但是二次放電法需要進(jìn)行短時(shí)大電流平穩(wěn)控制和測量（比如800 AH的電池需要進(jìn)行5 s、1600 A的電流放電控制），這種測量方法目前只適用于實(shí)驗(yàn)室，商業(yè)化的蓄電池檢測設(shè)備一般會(huì)采用各自研發(fā)的技術(shù)，這樣導(dǎo)致了目前內(nèi)阻測量值無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的國家認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室也沒有提供標(biāo)準(zhǔn)的真實(shí)測量值。這導(dǎo)致了目前蓄電池內(nèi)阻無標(biāo)準(zhǔn)的困境，不同的測量設(shè)備所測得的內(nèi)阻值不同，但是又無法認(rèn)定那個(gè)設(shè)備的測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)。

但是在目前的應(yīng)用環(huán)境下，即使測試結(jié)果有一定差異（當(dāng)然，參照標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)偏離太大），但如果測試設(shè)備具有良好的穩(wěn)定性、可重復(fù)性和靈敏性，那么通過內(nèi)阻變化也是可以推斷蓄電池性能的變化的。

本文所介紹的評(píng)價(jià)鉛酸蓄電池內(nèi)阻測試設(shè)備的方法和數(shù)學(xué)模型，能便利、精確、快速驗(yàn)證蓄電池內(nèi)阻測試設(shè)備的測量穩(wěn)定性、可重復(fù)性和靈敏性。

1 鉛酸蓄電池內(nèi)阻測量設(shè)備的準(zhǔn)確性評(píng)測方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

閥控鉛酸蓄電池內(nèi)阻值根據(jù)容量不同從幾十微歐至幾千微歐，其退變趨勢與其內(nèi)阻增量變化成一定的關(guān)系，根據(jù)目前大量的測試數(shù)據(jù)表明，內(nèi)阻值從最初電池的內(nèi)阻基值逐漸增加50%左右，其容量也會(huì)退變至80%左右，電池一旦退變到80%容量后會(huì)快速退變，因此80%的容量是電池的可靠性分界點(diǎn)。采用內(nèi)阻變化趨勢來評(píng)判電池性能變化就要求測量設(shè)備能非常準(zhǔn)確地測量其趨勢變化[4-6]。正如前面提到，在真實(shí)內(nèi)阻值無參考標(biāo)準(zhǔn)的情況下，能否靈敏監(jiān)測內(nèi)阻的變化就顯得十分重要，假設(shè)對同一節(jié)電池，A設(shè)備測量其內(nèi)阻基值為100微歐，B測量設(shè)備測量其內(nèi)阻基值為120微歐，5年后再次測量，A設(shè)備測得內(nèi)阻值為150微歐，B設(shè)備測得內(nèi)阻值為180微歐，則其變化增量均為50%，我們可認(rèn)為在趨勢評(píng)判上A、B設(shè)備具有相同的效果。

因此我們可以通過在蓄電池測試回路中串聯(lián)一定阻值的電阻來模擬內(nèi)阻的增量變化，使整個(gè)測試回路既具備蓄電池的電化學(xué)特性，又能實(shí)現(xiàn)模擬電阻增加。通過串聯(lián)不同阻值的電阻，并考慮到內(nèi)阻的實(shí)測值、增量大小和測量設(shè)備本身的測量重復(fù)誤差等因素，制定評(píng)測數(shù)學(xué)模型。實(shí)現(xiàn)對測量設(shè)備不同測試環(huán)境下準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的綜合評(píng)判。

1.2 模擬鉛酸蓄電池內(nèi)阻微量增加的具體實(shí)施

本方法是通過在被測蓄電池的一個(gè)極柱串聯(lián)已知阻值的經(jīng)過校準(zhǔn)的系列功率微量電阻（一般是分流器），如圖1所示，用蓄電池內(nèi)阻測試設(shè)備分別測試r0與r1，然后計(jì)算其測得的增量值：

圖1 測量結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Measure struct

與已知的R值比較，計(jì)算出增值的測量誤差δ：

通過更換不同的經(jīng)過校準(zhǔn)的系列功率微量電阻（一般是按IEC 60896-21-2004、IEC 60896-22-2004和GB/T 19638.2—2005標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的蓄電池內(nèi)阻試驗(yàn)方法所測得內(nèi)阻值的10%、20%、30%～100%）、以及更換不同安時(shí)數(shù)、不同伏數(shù)等級(jí)的電池（如2 V、6 V、12V），得到一系列的內(nèi)阻增值測量誤差值δ1、δ2、……δn。從而計(jì)算計(jì)算出算數(shù)均差 及誤差值均方差σ：

2 增量試驗(yàn)步驟及測試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)按如下步驟進(jìn)行：

（1）使用重復(fù)精度±2%的eTocsin公司的BMMS2000蓄電池在線監(jiān)測裝置測量某節(jié)電池內(nèi)阻10次，并計(jì)算平均值；

（2）根據(jù)平均值分別校準(zhǔn)9個(gè)分流器，使得分流器的值分別為平均值 的20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%；

（3）分別串聯(lián)分流器，分別測量其內(nèi)阻值。

更換不同安時(shí)數(shù)的電池重復(fù)上述3個(gè)步驟。

考慮到測量設(shè)備本身的重復(fù)精度和內(nèi)阻微增量大小的影響關(guān)系，我們將增量分為2組來定義其均方差標(biāo)準(zhǔn)，20%～50%為一組， 50%～100%為一組，分別計(jì)算出增量值的測量誤差的均值及其均方差。

以下是實(shí)測數(shù)據(jù)：

（1）疊加增量20%、30%、40%、50%的測試情況如表1所示。

測試數(shù)據(jù)計(jì)算得誤差均值和誤差均方差值為：

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1Table 1 Experimental data group #1

（2）疊加增量50%、60%、70%、80%、90%、100%的測試情況如表2所示。

測試數(shù)據(jù)計(jì)算得誤差均值和誤差均方差值為：

從以上測試結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

采用重復(fù)精度為±2%的eTocsin公司的在線監(jiān)測裝置BMMS2000進(jìn)行內(nèi)阻增量試驗(yàn)，兩組數(shù)據(jù)的增量誤差+增量誤差均方差分別為：

（1）疊加增量20%、30%、40%、50%的測試：8.78%；

（2）疊加增量50%、60%、70%、80%、90%、100%的測試：4.15%。

因此，我們制定疊加增量20%、30%、40%、50%的測試的增量誤差+增量誤差均方差為15%，疊加增量50%、60%、70%、80%、90%、100%的測試的增量誤差+增量誤差均方差為5%是可以有效判斷在線監(jiān)測裝置的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文所介紹的驗(yàn)證鉛酸蓄電池內(nèi)阻測試設(shè)備測量增量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性具有容易實(shí)施、快速、精準(zhǔn)的特點(diǎn)。在制定增量誤差+增量誤差均方差評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)充分考慮蓄電池的理論內(nèi)阻值、增量大小、測試設(shè)備的測量精度及重復(fù)誤差等參數(shù)，以最終制定一個(gè)合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)2Table 2 Experimental data group #2