閥控式鉛酸蓄電池壽命檢測方法

顧振洋

（中國民用航空西南地區空中交通管理局，四川 成都 610000）

1 通過容量檢測判斷電池壽命

鉛酸蓄電池的容量指蓄電池在一定條件下能對外界提供的電能容量大小，符號為C，單位通常使用安時（Ah），表示規定條件下該電池放電電流與放電時間的乘積。

隨著蓄電池的不斷使用，性能和容量不斷下降。當性能下降到一定程度時，蓄電池的容量下降速度會加劇，且故障概率大大增加，這時可以判斷該電池已達到使用壽命，繼續使用已無法滿足設備需求。按照大量使用情況數據和電池廠商的經驗，電池實際容量下降至額定容量的80%時為一個較為明顯的分界點。實際容量高于額定容量80%的電池一般還可以穩定使用，而低于額定容量80%的電池，放電能力和故障情況均遠遠落后于正常電池。因此，可以參考該數值，在蓄電池容量下降至80%時加強對蓄電池的檢測，并適時更換蓄電池。

1.1 規范規定的蓄電池容量檢測方法

國家標準《固定型閥控式鉛酸蓄電池 第1部分：技術條件》（GB/T 19638.1-2014）[1]和行業標準《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》（YD/T 799-2010）[2]等規范，對鉛酸蓄電池容量的檢測方法做了規定。

（1）將蓄電池完全充電并靜置1～24 h，當蓄電池表面溫度為（25±5）℃時進行容量放電試驗。10 h率容量用I10A的電流放電到電梯蓄電池平均電壓為1.8 V時終止，3 h率容量用I3A的電流放電到電梯蓄電池平均電壓為1.7 V時終止，1 h率容量用I1A的電流放電到電梯蓄電池平均電壓為1.6 V時終止，并記錄放電開始時蓄電池平均表面初始溫度t和放電持續時間T。

（2）放電期間測量并記錄單體蓄電池的端電壓和蓄電池表面溫度，測記間隔10 h率容量試驗為1 h，3 h率容量試驗為30 min，1 h率容量試驗為10 min，在放電末期要隨時測量，以便確定蓄電池放電到終止電壓的準確時間。

（3）在放電過程中，放電電流的波動不得超過規定值的±1%。

（4）用放電電流值I（A）乘以放電持續時間T（h）來計算實測容量Ct（Ah）。

（6）放電結束后，蓄電池應進行完全充電。

該容量檢測結果為標準的蓄電池容量檢測結果。與蓄電池的額定容量進行對比，可以直接判斷蓄電池容量是否低于額定容量的80%。需要注意的是，相同的電池在不同的放電率條件下檢測出的容量結果不同。放電電流越大，檢測出的電池容量越小。使用時，需要用對應放電率條件下的容量數據。

可以看出，這種容量檢測方法雖然能得到準確結果，但檢測有諸多限制，如環境溫度、放電電流需要精確控制。放電過程蓄電池需退出使用，檢測需花費大量的人力和時間，且這種檢測方法相當于蓄電池進行了一次完全放電，對電池壽命有一定影響。

1.2 通過實際負載進行容量檢測的方法

實際使用中由于電池環境、檢測設備的限制，普通用戶通常難以按照規范規定的蓄電池容量檢測方法進行容量檢測，且該方法要求規定的電池放電率一般與實際負載放電時的放電率不同，結果會存在一定偏差。因此，通過實際負載放電的方法進行容量測試，可以得到更直觀的電池后備時間數據。

通過實際負載進行容量測試，即將蓄電池完全充滿電，然后用電負載切換至電池放電狀態，當蓄電池放電至終止電壓時放電結束。該放電時間即是對應負載狀態下電池的后備時間，根據放電時間和放電電流可以近似計算出蓄電池的容量。該放電過程需注意用電負載不要變化，否則會對檢測結果產生影響。

在用電負載不變的情況下，蓄電池放電過程為一個恒功率放電狀態。隨著放電時間的增加，電池電壓逐漸下降，放電電流逐漸增加，在放電至終止電壓時放電電流最大，電池電壓下降速率最快。放電時需要特別注意，對于使用時間較長、老化程度較高的電池這一現象尤為突出。

使用這種方法檢測電池壽命可以直觀得到對應負載情況下的電池后備時間，但是由于實際放電率與電池額定容量對應的放電率不同，進行容量比較時存在一定偏差。同時，這種檢測方法也對電池進行了一次完全放電，放電過程直至放電結束并再次將蓄電池完全充電前，電池將暫時降低對系統的后備供電能力。

2 通過內阻檢測判斷電池壽命

通過容量檢測的方法判斷電池壽命，需對電池進行完全放電，期間影響蓄電池的正常使用并對蓄電池壽命有一定損耗。為避免這種缺點，可以使用一些在線檢測方法，其中蓄電池內阻檢測是目前比較成熟的鉛酸蓄電池在線檢測方法。蓄電池內阻與電池容量存在一定關系，也能很好地判斷蓄電池使用壽命。

對于同一型號鉛酸蓄電池，電池的內阻越大，電池容量越小，兩者為類似于反比例的非線性關系。內組和容量的關系可近似表示為：

式中：C為電池容量；r為電池內阻；a、b、m為常數，不同型號的a、b、m數值不同，有條件的情況下可通過大量檢測結果，利用最小二乘法求得a、b、m的數值。

大量研究及電池廠家的數據表明，以新電池內阻為基準，蓄電池經過使用后其內阻會逐漸增大。當內阻值超過新電池內阻50%時，電池性能下降速率及故障概率大大增加，此時需加強對蓄電池的關注并適時更換蓄電池。

目前，鉛酸蓄電池內阻測試方法并沒有統一的規定，現在常用的方法有直流放電法和交流注入法兩種。

2.1 使用直流放電法檢測電池內阻

直流放電法是通過給蓄電池外接一個大功率負載，在檢測時讓電池瞬間放電，檢測電池放電穩定后的電壓值和斷開這個大功率負載時電壓的瞬間恢復值，并與放電電流計算出電池的內阻。直流放電法放電曲線如圖1所示。其中，V1為放電穩定后電壓；V2為斷開大功率負載后電壓瞬間恢復值；I為放電穩定后電流；t為放電時間。

圖1 直流放電法放電曲線圖

直流放電法利用蓄電池斷開負載瞬間電勢馬上回升的特性，通過測量回升前后電池通路與斷路的電壓V1、V2以及放電電流I計算出電池的內阻：

該測試方法有以下兩個重點。第一，放電電流大。由于電池內阻是一個很小的值，通過大電流能得到更精確的電壓數據，通常使用30～70 A的電流。第二，放電時間短。由于長時間大電流放電會損耗電池壽命，因此盡量縮短放電時間可以保障電池性能不受測試影響，通常需要控制在3～5 s范圍內。

這種測試方法要求在短時間放電情況下測量電池電壓的瞬間變化，因此對檢測設備提出了更高的要求，通常在蓄電池在線監控系統中應用較廣泛。

2.2 使用交流注入法檢測電池內阻

交流注入法采用的是向蓄電池注入一定幅值、一定頻率的交流電流信號，通過檢測電池兩端的電壓信號計算出電池內阻的交流阻抗。該交流信號對于蓄電池的正常運行相當于一個微小的擾動，因此對系統的影響非常小。

使用交流注入法檢測出的內阻數值為電池的交流阻抗，除直流電阻外也包含了電池的容抗和感抗，且UPS、開關電源等會產生較大的紋波電流。因此，采用交流注入法檢測的內阻值精確度較低，且容易受到紋波電流的干擾。

交流注入法重點在于放大電路和濾波電路設計的好壞。原始的微小檢測信號通過放大電路放大、經濾波電路濾除噪聲信號，再通過有效值轉換電路轉換為需要的有效值信號，進而計算蓄電池內阻數值。目前，交流注入法檢測電路設計已經相對完善，檢測精度也達到了一個較高的水平。

使用交流注入法不需要蓄電池進行放電，同時交流電信號幅值很低，避免了對蓄電池性能的影響，可實現在線檢測。此外，由于電壓范圍安全，也大量應用于便攜式檢測設備中。

3 各種檢測方法比較

以上各鉛酸蓄電池檢測方法各有其優劣，適用于不同的場合。

（1）按規范檢測的判斷方法為電池容量是否低于80%，檢測精度高但各方面限制較大；

（2）實際負載檢測的判斷方法同上，檢測精度一般，優點在于不需要額外的檢測設備；

（3）直流放電法的判斷方法為電池內阻是否超過初始值50%，檢測精度高，可實現在線檢測，檢測設備技術要求較高；

（4）交流注入法的判斷方法同上，檢測精度一般，易用于便攜式設備。

4 結 論

蓄電池壽命通過電池容量和電池內阻可以較為直觀地反映，兩者都有不同的檢測方法。隨著技術的發展，不斷有新的檢測手段出現，甚至有利用人工智能領域的神經網絡法來對蓄電池容量進行預測的研究。針對不同的場合選用合適的檢測方法可以掌握蓄電池使用情況，進而提高電源保障能力，延長設備使用壽命。