基于內阻法測容量在配網自動化中的設計及應用

黃 偉 孫蒙恩

（深圳鹽田供電局，廣東 深圳 518081）

0 引言

隨著時代的發展，配網自動化是公司優化營商環境、提升供電可靠性和實現“四個大幅減少”等工作的重要支撐手段[1]。蓄電池在配網自動化中具有不可或缺的作用，蓄電池作為電源其容量的檢測非常重要。傳統的蓄電池容量檢測方法是進行整組核對性放電，即把蓄電池組連接到負載箱，然后進行放電，一直放到截止電壓為止，以此來驗證蓄電池的容量。這種方法有很多缺點：測試時間長，風險大，電池組須脫離系統，蓄電池組存儲的化學能全部以熱能形式消耗掉，即浪費電能又費時費力，效率低。針對傳統測試蓄電池容量的方法所存在的不足，該實驗利用實驗數據，模擬出一套蓄電池容量和蓄電池阻抗的關系表達式；再通過阻抗的測試得到模擬的容量大小，克服了上述測試的不足，具有較大的推廣應用價值。

1 簡易裝置設計

蓄電池的容量測試方法主要有以下4種：密度法、電壓法、滿容量放電法和內阻（電導）法。

密度法以鉛酸蓄電池為例，因為電解液主要是由氧化鉛、鉛以及硫酸鉛共同組成的。所以電解液的密度由氧化鉛、鉛以及硫酸鉛三者的密度共同決定[2]。然而，在應用密度法時有一個關鍵性的問題，在蓄電池使用后期，因為其正負極板由于被腐蝕，氧化鉛、鉛以及硫酸鉛三者的比例已經明顯發生變化，導致蓄電池后期是無法以密度值為依據來推算其容量的，所以該方法不能普遍推廣。電壓法主要是測量負載電壓和開路電壓，通過測量負載電壓和開路電壓來評估電池的容量[3]。當開路電壓和負載電壓降低時，說明電池的容量也在相應的下降。這種方法不能較為準確地確定容量的大小，應用局限性較大。滿容量放電法是其中最簡單的操作方法，也是最準確測量電池容量的方法。保證電池處在額定電流的情況下，測量其放電過程的容量。該過程耗時較長，且如果使用次數過于頻繁，容易引起電池的加速老化，極大地縮短了電池的壽命。測量內阻（電導）法是根據蓄電池電阻的大小預測蓄電池的容量。電導的數值對于蓄電池來說，可以較好地反映出電池穩定持續充電的特性，且可較好地預測電池的容量。由于反復使用電池導致蓄電池內部的活性材料在內部不斷脫落、消耗，電極板中的電解液揮發，導致蓄電池整體電阻值增加，從而使蓄電池容量減少。這也充分說明蓄電池的內阻可以作為1個標準來評估蓄電池的容量性能。這樣通過電阻的測量來計算蓄電池容量的方法，操作簡單，實用性強[4-5]。

該文設計出一種測量蓄電池容量的簡易裝置。首先，通過電流采集裝置和電壓采集裝置，得到相應電流和電壓的數值；其次，計算出相應的電阻阻值；最后，依據電阻和容量的關系模型計算出電池容量的大小。該裝置大部分應用于計算機中，操作簡單，易于實施，對電池基本無損傷，具備在配網自動化終端巡檢、定檢工作中推廣實施的條件。

1.1 設計的架構

配網自動化中蓄電池容量測試設計主要分為現場監測、數據傳輸和數據分析3個階段。該設計讓配網自動化中電池的內阻從現場檢測的電流和電壓值中反應出來，再通過相應的方法傳輸到電腦終端，對其內阻和電量的關系模型進行分析，可以得出所測蓄電池的容量大小，實現對配網自動化中蓄電池容量的監測。

1.2 設計的主體

因為現場檢測階段是該設計最主要的部分，所以重點介紹現場檢測階段。如圖1所示，現場測試電池內阻原理主要由高精度A/D轉換電路、放電負載、電流采集、電壓采集以及CPU這5個部分組成。接下來將會簡述各部分的作用以及其中的關鍵性問題和改進方法。

1.2.1 A/D轉換器

通常把模擬信號轉換成數字信號的電路稱為模數轉換器（A/D或ADC）。A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬信號轉換為時間離散、幅值也離散的數字信號。因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合并進行的。簡單來說，就是將模擬信號轉為數字信號的1個電子元件。而該文是將輸入電壓信號轉換為數字信號，這樣可以方便CPU采集數據。因為這些數字信號并不具有實際的意義，只是可以表示相對的大小。所以該類轉換器需要1個參考標準，這也是要在后面加入電壓測量的原因，給出相應的參考標準，使CPU收集的信號有意義。

1.2.2 放電負載

加入負載是對電路的保護，防止在電壓和電流增加的過程中，蓄電池被擊穿，電阻瞬間減少，造成危險。在測試時，通過給出1個變化的電壓值和電流值，測量負載的電流和電壓變化，電壓的變化值除以變化的電流值，可以得出電池加負載總的電阻值，而負載的電阻值可以在加入前就得出，可以通過這樣算出對應的電池內阻。

1.2.3 電流采集和電壓采集

電流采集是對蓄電池放電過程中電流大小的測量。通過負載電阻的加入，電流也就會有相應的變化。因為這與蓄電池電阻測試的結果有直接關系，所以要求電流采集裝置要有比較高的精度，這樣得出的蓄電池內阻才能準確。電壓采集和電流采集類似，采集放電負載兩端的電壓，通過電壓和電流的變化，可得出電池內部的內阻。因此電壓的測量也是要有相應的精準度的。因為電流和電壓的變化是由負載電阻的變化來控制的，所以負載電阻值的選擇可以根據最初電壓采集的大小來估量。電壓的數值可以給A/D轉換器提供一個相應的參考標準，得出不同數字信號對應的電壓大小，然后從CPU采集的數據中表現出來，方便進行下一步的分析。

1.2.4 中央處理器（CPU）

CPU作為計算機系統的運算和控制核心，是信息處理、程序運行的最終執行單元。CPU自出現以來，在邏輯結構、運行效率以及功能外延上取得了巨大的發展。CPU是A/D轉換器信號的收集裝置。主要是為了方便后面數據傳輸和整理。當該處收集的信號和電壓測試出的真實值一一對應時，再進行相應數據的處理。

圖1 現場測試電池內阻原理圖

以上的5個步驟中，主要是對精確度有一定要求。例如A/D轉換器放電負載的內阻、電流采集和電壓采集都較高的精度要求，這是為了測出蓄電池的內阻更為精準，方便對其容量的預測。

2 內阻與容量的關系實驗及結果分析

2.1 容量的測量

首先，采集各個時間點的電壓數據，利用式（1）可以計算出蓄電池的從良作為基準容量，用QC表示。而是壓降時的蓄電池的放電容量。這個可以作為接下來蓄電池容量估算的參考數據。蓄電池的容量計算，如公式（1）所示。

式中：T為完全放電的總時長；t為各單位壓降的時間間隔（單位電壓為0.1 V）；為放電電流；為放電電流。

其次，根據上面的數據計算出蓄電池此次放電的容量，用Qt表示，如公式（2）所示。

最后將蓄電池的放電電壓與之前放電記錄的數據作對比，找出相應的容量Qv。黃怡然等[6]利用該方法估算出來的蓄電池容量與實測的容量對比，誤差在5%之內，基本符合蓄電池容量測試要求。

2.2 電阻的測量

電池內阻測量方法在行業里面主要分為直流放電內阻測量法和交流壓降內阻測量法。

2.2.1 直流放電內阻測量法

直流放電內阻測量法主要是根據物理公式R=U/I，測試設備，讓電池在短時間內（一般為2 s～3 s）強制通過1個很大的恒定直流電流（目前一般使用40 A～80 A的大電流），測量此時電池兩端的電壓，并按公式計算出當前的電池內阻。該方法有明顯的不足之處：1）只能測量大容量電池或者蓄電池，小容量電池無法在2 s～3 s內負荷40 A～80 A的大電流。2）因為當電池通過大電流時，電池內部的電極會發生極化現象，產生極化內阻；所以，必須把測量控制在很短的時間以內，否則測出的內阻值誤差很大。3）大電流通過電池時，會對電池內部的電極造成一定損傷。

2.2.2 交流壓降內阻測量法

因為電池實際上等效于1個有源電阻，所以，研究人員首先給電池施加了1個固定頻率和固定電流（目前一般使用1 kHz頻率、50 mA小電流），其次對其電壓進行采樣，經過整流、濾波等一系列處理，最后通過運放電路計算出該電池的內阻值。交流壓降內阻測量法的電池測量時間極短，一般需要100 ms。該測量方法的精確度也不錯，測量精度誤差一般在1%～2%。

該實驗為了保障實驗的安全性以及加強對蓄電池的保護，采用的是交流法測量電池內阻。首先，在電池上加1個交流測試信號；其次，使用相應的設備測量流過電池的電流I和該電池在該電流下電池的電壓U；最后可以導出阻抗，并計算出相應的電池內阻值。阻抗計算公式如公式（3）、公式（4）所示。

由于交流信號頻率較大，在該頻率下可以把電容看成一個導體，選擇性地忽略其影響，測得的數據實際上就是電阻。劉險峰等[7]采用該方法得出了阻抗和容量的關系，并做出相應的表格，便于以后通過電阻值對容量進行預測。該方法測量某已工作八年的通信站的蓄電池組容量。實驗可以把測試誤差控制在1%之內，完全符合現在設計的標準。

2.3 數據處理

如圖2所示，研究人員把用上述測試得到的電阻和電容的結果輸入到相應的表格中，就可以得到相應電阻和電容的數值。這里需要注意，當容量衰減過多（低于20%時），內阻會出現急劇增加的情況，這會導致結果出現偏差，因此研究人員對于容量低于20%的情況不做結果處理。因為溫度對電池的容量是也有一定影響，所以研究人員需要把溫度控制在25 ℃，以保證結果的準確性。

詳細的步驟如下：1）首先是標準充電，以0.5 C （1.3 A）的恒定電流對電池進行充電到4.20 V；其次，再用恒定電壓對電池充電，直到充電電流降至0.01 C （0.026 A）；再次，將電池靜置1 h；最后，進行容量測試。該方法測出的容量就是電池最初的放電容量。2）在25 ℃的恒溫環境下，以0.5 C （1.3 A）的電流強度對其充放電，每循環10圈測試其容量和阻抗，可以得出一系列容量和阻抗的數據。做出對應容量和電阻的擬合直線。如圖3所示，可以擬合出一條斜率為13.95525 Ah/Ω，截距是0.0012 Ah的直線，大約方程式為:

y =13.95525x +0.0012

可以根據電池測出的電阻，預估容量的大小。

圖2 容量和阻抗實驗的測試程序

為了討論新方法的準確性和可靠性，該文還將1組數據作為驗證。研究人員首先測出電池實際容量和實際電阻；其次，把實際電阻帶入式（5）；最后，就可以得出相應的預測容量。通過比較實際測得的容量和預測容量，得到相應的誤差研究人員選取了20組數據，從中可以明顯看出預測容量和真實容量最大誤差為±4%，這完全符合目前電池容量估算的標準。

實驗結果表明，容量的大小與電池內阻有一定關系，之所以電池容量的衰減很可能隨著電池內阻而增加，是因為它們遵循相同的增長趨勢。這樣的線性相關也意味它們最有可能歸因于相同的老化機制。因為蓄電池容量的衰減，一般都是內部活性材料的數量減少，這增加了電子的傳導阻力。所以，電池容量會降低并且電池阻抗也會增加。基于該理論和方法設計的電阻和容量關系模型可以通過直接測電池內阻的方法實現對容量的檢測。

圖3 容量和阻抗的散點圖和擬合線

圖4 電池實際容量和預測容量的誤差

3 結語

蓄電池作為配網自動化的核心部件，對于配網自動化的推廣十分重要。該文提出了內阻法測容量，只需要測量樣本的電阻值就可以得出蓄電池的容量大小，測量結果的精度高，預測范圍可以把誤差控制在±5%。依據該方法設計的測量裝置，可以滿足遠程、實時地了解蓄電池電阻變化的需求。這為工作人員及時維護和延長蓄電池的生命周期提供了關鍵性指標，極大地減少了人力和物力的投入，實現可觀的經濟效益。該文的方法具有較強的可操作性和實用性，為以后容量的檢測提出了一種新的方法，也對以后的研究具有重要的借鑒意義。