大型蓄電池內阻與短路電流的檢測方法討論

郝 麗，王 瑜，陳 冬，倪 丹，黨志敏

(1.浙江南都電源動力股份有限公司，浙江杭州311305；2.上海核工程研究設計院，上海200233)

對于閥控式鉛酸蓄電池的用戶和電池制造商來說，電池的高安全性和良好的使用性能至關重要。電池的短路電流和內阻水平是判斷電池綜合性能的一個重要參數，能夠精確測量已成為業界共同關注的話題。目前較常用的蓄電池內阻測試方法主要有交流法和直流法[1]。已公布的國內外技術標準均采用直流二次放電法測量電池的短路電流和內阻[2-3]，標準里測試步驟規定了對電池第二次放電時采用了20I10(A)快速大電流放電的要求。這樣的大電流對于大型蓄電池如標稱容量為3 000～4 000 Ah 的蓄電池則需要6 000～8 000 A 的超大放電電流，目前的儀器設備較難達到超大電流響應快速、檢測數據精確、穩定的控制，這是應用直流二次放電法實現大型蓄電池內阻測量的一個技術難點，檢測機構也很少具備這樣超大電流的檢測能力。

本文提出了一種基于國內外標準方法的直流二次放電法，降低了放電電流，能夠較準確測量蓄電池內阻和短路電流的測試方法。

1 VRLA 鉛酸蓄電池的內阻

1.1 鉛酸蓄電池的內阻模型及測試等效電路

早在20 世紀50 年代，鉛酸蓄電池的內阻模型[4-5]已被研究者提出，主要是由鉛酸蓄電池的電動勢E、歐姆內阻R1、電化學極化內阻R2、內部電感L 和雙電層電容C 構成，如圖1 所示。歐姆內阻是由電池的板柵、鉛膏、匯流排、隔板和電解液等全部組件組成的內阻形成的。電化學極化內阻包括濃差極化內阻和活化極化內阻。

圖1 鉛酸蓄電池內阻等效電路模型

當鉛酸蓄電池在短時或瞬間大電流放電時，蓄電池中電化學反應的反應物和生成物濃度無明顯變化，認為極化內阻很小[6]。而電感的數量級極小為10-6H，也可忽略電感的影響[7]。同時，在直流放電條件下也可避開電容帶來的影響。因此，鉛酸蓄電池的內阻主要是由歐姆內阻引起的。

此時鉛酸蓄電池的內阻模型又可以等效為一個理想的電壓源E 和電阻R，如果已知電路中的電流I 和電壓U，由歐姆定律就可以求出鉛酸蓄電池的內阻：

在本文的實驗中，為了采用國標方法的直流二次放電法來實現鉛酸蓄電池內阻的測量，將測試電池直接連接在蓄電池充放電測試儀的端線側，其等效電路如圖2 所示。實際運行時蓄電池給負載充放電測試儀放電，測試儀會自動調節內部的可變電阻Rx來控制回路中放電電流的大小。通過兩次瞬時放電，電路中可測出電流I1和I2,電壓U1和U2。由公式(1)就可以推出鉛酸蓄電池的內阻。

圖2 蓄電池內阻測試等效電路

1.2 鉛酸蓄電池內阻和短路電流的國內外標準檢測方法

在國際標準IEC60896-2:2004 和國家標準GB/T19638.1-2014 等標準中采用的是直流二次放電法測量鉛酸蓄電池的內阻和短路電流，通過兩次放電測量電池電壓的變化后計算得出結果，具體的測試方法為[3]：

經容量實驗達到額定容量值的蓄電池完全充電后，在20～25 ℃的環境中，通過兩點法測定U=f(I)放電特性曲線，如圖3 所示。第一點(Ua，Ia),以電流Ia=4 I10(A)放電20 s，測量并記錄蓄電池的端電壓Ua值，間斷5 min。不經再充電確定第二點，第二點(Ub，Ib)，以電流Ib=20 I10(A)放電5 s，測量并記錄蓄電池端電壓Ub值。根據式(3)～(4)計算出蓄電池的內阻與短路電流，即：

圖3 蓄電池放電特性曲線

直流二次放電法的優點是能夠準確地測量蓄電池的內阻與短路電流，并且重復性較好，能夠避免交流注入法電源紋波和其他噪聲源的影響[8]。大容量蓄電池實現大電流20 I10(A)放電需用到可放出超大電流的高精度恒流控制和時間控制等檢測技術，現有儀器設備較難實現，檢測成本也較高。

2 測試方法

本實驗通過降低二次放電法中的大電流放電，采用小電流放電，實現大容量蓄電池內阻和短路電流的測量。實驗基于國家標準GB/T19638.1-2014 中的直流二次放電法，通過改變第二點放電電流Ib，設計Ib分別為15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(單位為A)，比較計算結果與標準方法Ib=20 I10(A)時測得的結果是否一致。

將表1 中的測試工步重復測試3～5 次，可依據式(3)和式(4)計算出蓄電池的內阻和短路電流，連續測試的平均值可作為其標稱值。

表1 測前充滿電的實驗工步

將表2 中的工步1 到4 重復測試3～5 次，與表1 的實驗結果進行比較。然后嘗試用不同的Ib放電電流如15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(單位為A)，分別進行表2 中的測試，實驗結果與Ib=20 I10(A)的比較。

表2 測前不補充電的實驗工步

實驗蓄電池采用南都電源公司生產的GFM-200、GFM-500、GFM-1000 以及GFM-4000 電池。

實驗所用到的檢測儀器為美國Bitrode 蓄電池循環充、放電測試儀。

3 結果與討論

3.1 不補充電連續測試與測前充滿電的比較

由于標準規定蓄電池完全充電要24 h，測前每次都充滿電的測試周期太長，所以選用兩只小容量蓄電池GFM-200，研究不補充電連續測試與測前充滿電的結果差異性，如無差異即可縮短測試周期。實驗以連續5 次測前充滿電測得的內阻和短路電流的平均值作為標稱值，計算兩者的偏差，結果見表3。

表3 不補充電連續測試內阻與短路電流的數據

從表3 實驗數據結果可知，蓄電池不補充電連續測試的內阻和短路電流重復測量的穩定性較好，并且與標準方法測得的標稱值非常接近，內阻偏差低于1.5%，短路電流偏差低于1.6%，驗證了連續測試不補充電實驗的有效性。后面實驗均采用該方法。

3.2 Ib選用不同的放電電流實驗

對1# GFM-200 蓄電池，設置Ib分別為15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(單位為A)，分別進行內阻和短路電流實驗，并與標稱值比較，計算結果見表4、表5。

表4 不同的Ib 測的內阻數據

表5 不同的Ib 測的短路電流數據

從表4 的實驗數據看出，降低第二點放電電流Ib后，蓄電池的內阻與標稱值對比后，最大偏差由小到大依次為：10I10(0.9%)＜15 I10(4.5%)＜8 I10(21.8%)＜5 I10(221.1%)，結果表明：Ib=10 I10(A)時蓄電池內阻偏差最小，最接近標稱值。

從表5 的數據可得知，調整第二點放電電流Ib后，蓄電池的短路電流與標稱值對比后，最大偏差由小到大仍然是：10 I10(1.9%)＜15 I10(4.2%)＜8 I10(29.0%)＜5 I10(205.7%)。結果表明Ib=10 I10(A)時偏差最小，短路電流最接近標稱值。

3.3 驗證Ib=10 I10(A)時大容量蓄電池的內阻和短路電流測量的可行性

選用大容量蓄電池GFM-500、GFM-1000 以及超大容量的GFM-4000 進行實驗，按照表1 方法測試三次的平均值作為標稱值，與Ib=10 I10(A)時進行比較。測試數據見表6和表7。

表6、表7 中的數據表明，在測量大容量蓄電池500、1 000 Ah 的內阻和短路電流時，Ib=10 I10(A)作為直流二次放電法中的第二點放電電流，與用標準方法測出的結果較吻合，內阻偏差小于1.1%，短路電流偏差小于1.3%。再次驗證了該方法同樣適用于大容量蓄電池的內阻和短路電流的精確測量。最終采用此法能夠實現測量超大容量4 000 Ah 蓄電池的內阻和短路電流。這在蓄電池安全性能方面提供了十分重要的技術參數。

表6 Ib=10 I10 (A)大容量蓄電池的內阻數據

表7 Ib=10 I10 (A)大容量蓄電池的短路電流數據

4 結論

對國家標準和國際標準中內阻與短路電流的檢測方法作了改進，將第二點大電流20 I10(A)依次降低為15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(單位為A)，經過上述大量實驗，發現當電流降低到10 I10(A)時，小容量、大容量的蓄電池都可以較精確、穩定的測量其內阻和短路電流。此方法解決了大型蓄電池需超大電流的檢測技術難題。同時，可以避免經常大電流放電對蓄電池造成的損害，縮短正常的使用壽命。