蓄電池內阻測量方法及應用

高振楠，楊 威，李安慶

（安徽郵電職業技術學院 通信工程系，安徽 合肥 230031）

0 引 言

蓄電池作為通信電源系統的備用直流電源，對通信電源的可靠供電有著舉足輕重的作用。當發生交流停電或者整流模塊故障時，蓄電池通過直流配電屏直接為通信設備提供直流電源，以保證通信網絡仍然能夠正常運行。目前，通信電源廣泛使用閥控式鉛酸蓄電池，使用過程中不需要額外加水，日常只需做簡單的清潔測試維護，而且電池壽命長，不會污染環境，適應各種不同的溫度使用。但蓄電池經過長時間使用，也會出現各種蓄電池故障[1]。為了能夠及時發現故障，必須實時掌握蓄電池運行參數。目前，通信蓄電池實時監測系統能夠在線查看電壓和電流的大小，但是其內阻并沒有納入系統監測。

研究認為，監測蓄電池電壓大小不能科學準確地判斷蓄電池的狀態，甚至會產生誤判。因此，為了更好地監測蓄電池狀態，必須對蓄電池內阻進行監測。電池內阻的大小取決于內部電解質、正負極板材料以及極柱隔板等，電池各種故障類型，如電池極板腐蝕、電池硫酸鹽化、失水等也都會引起電池內阻發生不正常的變化。內阻是反映蓄電池的有效參數，能夠分析容量大小，作為故障判斷的重要參考，測試內阻的大小能夠判斷蓄電池是否正常[2]。內阻測試的精確度對掌握蓄電池具有較大的意義。

蓄電池內阻值能夠反映容量的大小。通常，隨著電池老化，電池剩余容量越小，電池內阻逐漸變大。實驗證明，蓄電池內阻值超過標準值的25%左右時，蓄電池會嚴重劣化。通過建立容量與內阻的關系，測試內阻即可掌握蓄電池的容量大小。當容量降低20%以上時，蓄電池性能急劇劣化，放電能力快速下降，會引起整組蓄電池損壞。

蓄電池要保持均衡狀態才能最大限度地延長使用壽命。影響均衡的主要因素有電解液的密度、原材料的雜質、隔板吸酸飽和度以及電解液的數量等，因此同組的蓄電池特性參數不可能達到完全一致。蓄電池組處于串聯狀態，在浮充電流恒定時，由于電池內阻大小不同，電池電壓也不一致，內阻大的蓄電池端電壓高，而內阻小的蓄電池端電壓低。因此，檢測蓄電池內阻，確保內阻的一致性，才能確保電池均衡[3]。

1 蓄電池監測方法分析

1.1 蓄電池內阻

電流流過蓄電池內部所受到的阻力稱為內阻。電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻。為了分析蓄電池狀態，通常采用如圖1所示的蓄電池模型。

圖1 蓄電池電路模型

圖1的蓄電池模型中，R1為蓄電池歐姆電阻，R2為蓄電池極化電阻，C2為電極雙電層電容，E為蓄電池電動勢。

1.2 交流測量法

蓄電池提供直流電，通常在分析回路時將其視為有源回路，在直流回路的基礎上加載交流信號能夠分析電路特點。根據原理的不同，交流測量法可以分為交流放電法和交流注入法。

交流放電法測試電阻的思路是組成交流放電回路，在蓄電池回路中串聯交流負載，負載大小可以調節，通過測試蓄電池端電壓和電流，即可得到蓄電池內阻值。實驗證明，頻率為3 Hz的電流工況下蓄電池內阻值準確可靠，基本反映真實內阻值。放電時的電壓波形如圖2所示，放電時的電流波形如圖3所示。

圖2 放電時的電壓波形

圖3 放電時的電流波形

通過同步放大電路和A/D變換電路測試電壓和電流，通過計算得到電壓的有效值U和電流的有效值I，通過R=U/I可得蓄電池的內阻值。

交流放電法的優點是不會影響直流供電回路的正常工作，測量電流比較小，一般為2～5 A，不會損害蓄電池。缺點是交流放電法的測試狀態與蓄電池工作狀態不同，蓄電池正常放電時放出直流電，測量結果與蓄電池容量的誤差較大。

1.3 交流注入法

交流注入法的實現思路是將蓄電池看作含直流源的有源電阻，在蓄電池測試電路中加載交流電流，原理是當使用受控電流時，蓄電池兩端的電流為：

蓄電池兩端產生的交流電壓為：

式中，θ為相角。

測試交流電流和電壓的大小，可以得到復阻抗，即為內阻，其模為：

交流注入法的優點是交流電流直接作用于蓄電池內阻引起交流電壓的變化，測量精度高。選擇適當的交流電流頻率能夠降低充電諧波干擾，且交流激勵不受放電電流和直流浮充回路的影響，對電池沒有顯著的損害和沖擊[4]。缺點是會受到注入頻率的影響。內阻檢測裝置的頻率不同，測試的內阻值也不同，內阻和頻率的關系為：

式中，f為測試信號頻率。

交流注入法對直流系統會產生一定影響，實時測試時，不僅會受到直流充電機產生的諧波干擾，造成測試誤差，而且加載在蓄電池的交流量會在系統內產生紋波干擾。此外，交流注入法只能夠測試蓄電池的靜態內阻，無法真實模擬蓄電池的實際工作狀態。同時在直流系統中疊加交流信號會引起保護系統告警，所以實際監測設備中不采用交流注入法。

1.4 直流測量法

1.4.1 兩點測定法測電池內阻

測試內阻原理如圖4所示，對蓄電池進行充分充電直至充滿后，在20～25 ℃環境條件下，通過兩次測定電壓和電流的方法得到直流電阻值。第一次測量(U1,I1)以電流I1=4×I10放電20 s,測試端電壓為U1值，間斷5 min。第二次測量(U2,I2)以電流I2=20×I10放電5 s，測試端電壓為U2值。通過計算得出內阻Ri=(U1-U2)/(I1-I2)。

圖4 蓄電池放電特性曲線

兩點測定法不能實現蓄電池組的在線測試，并不適合測試通信電源系統蓄電池。

1.4.2 直流瞬間放電法

直流瞬間放電法是在蓄電池回路中串入直流負載，電路中加載固定大小的電流（I），通過測量，負載連通時和斷開后的電壓差為：

計算內阻值為：

該方法的依據是蓄電池斷開負載后電壓回升的基本性質[5]。

實踐證明，如果測量時間小于1 ms，則所得到ΔU值保持不變，其主要是由歐姆內阻產生。蓄電池電壓電流特性曲線如圖5所示，用示波器測得0～1 s沖擊放電電流It和放電瞬間電壓Ut。以70 A電流使蓄電池放電，放電持續3.25 s，放電完畢斷開負載，待放電電壓穩定后，測試瞬間斷電電壓差△U和電流I，根據歐姆定理可以得到內阻R值是375 μΩ。

圖5 蓄電池電壓電流特性曲線

直流瞬間放電法優點如下：一是測量過程采用負載放電模式，符合蓄電池正常工作的運行狀態，能夠真正模擬蓄電池實際狀態，檢驗蓄電池放電情況和負載能力；二是測量精度高，測量數據穩定、精確，能夠精確測量毫歐級的參數變化，而且測試電流越大，測試精度越高；三是有很強的抗干擾性，不受高頻充電機諧波的影響，不產生其他附加信號，能夠精確測量直流參數，適用于高噪聲設備中進行蓄電池實時內阻測試；四是蓄電池等效電容大，根據電容具有通交流阻直流的特性，測試蓄電池內阻不受到蓄電池等效電容的影響[6]。直流瞬間放電法是鉛酸閥控蓄電池在線內阻監測的準確有效方法。

2 基于直流瞬間放電法測試內阻的蓄電池監測應用方案

直流瞬間放電法能夠最大限度反映蓄電池的特性，能夠精確維護蓄電池，實現自動化監測，更加適合通信蓄電池維護?；谥绷魉查g放電法的電池測試裝置可以在線測量每個蓄電池的溫度、電壓以及電阻等參數，生成圖表分析蓄電池狀態，維護人員能夠動態掌握蓄電池參數，如蓄電池指標超出正常范圍，系統能夠產生報警信號，及時進行故障處理[7]。

電池測試裝置具備以下功能：一是能夠實時測試內阻大小，避免蓄電池在線運行影響測量準確度，通常蓄電池浮充電流一般在8 A左右，為了消除浮充電流的影響，同時保證電壓降足夠大，能夠精確測量電壓差，放電電流大小保持在50～70 A；（2）能夠掌握蓄電池測試持續時間，確保測試期間電壓逐漸穩定。蓄電池接入負載進行放電時，剛開始2 s內電壓下降，測得的電壓值稱虛電壓，放電2 s后電壓趨于穩定，測試時避免蓄電池虛電壓的影響，排除電流和電壓下降時的交流分量，保證測試值是直流電阻[8]。

直流瞬間放電法監測裝置不僅能夠自動監測電池組的電壓和環境溫度，而且能夠自動測試并存儲電池內阻。電池測試裝置的基本組成有電壓監測模塊、內阻測試模塊以及溫度測試模塊等，負責采集數據和系統控制。前面板上通過USB接口與計算機串口相連，實現與計算機互連，后面板上通過RS485接口與局域網互連。

2.1 蓄電池電壓監測模塊

蓄電池電壓采集電路如圖6所示，采用多路開關控制，控制信號由控制單元發出。信號采集端串聯多路電阻，電阻能夠控制采樣電流保持在一定范圍，而且當采樣電路出現短路故障時，能夠大大減小短路電流。帶通濾波電路的作用是濾除蓄電池充電回路的紋波，依據輸出波形的要求選擇合適濾波電路元器件。由于采集的交流信號較小，控制器的采集范圍通常為0～3 V，因此需要電壓提升電路，最后在控制單元中采用一定的算法還原信號，由傅里葉變換即可算出電壓和電流信號[9]。

圖6 電壓采樣電路

2.2 蓄電池內阻測試模塊

蓄電池內阻測試模塊的主要功能是測試內阻的大小，因為測試內阻時必須進行單次大電流放電，所以在電路中要增加控制電阻負載模塊。內阻測試模塊后面板分別有一個接口，通過電纜與電池監測模塊互聯。電阻負載模塊同時具有告警功能，當系統發生告警時，能夠禁止進行電阻測試。告警功能包括負載輸入電壓過高、負載線錯誤、溫度超高以及溫控敏感器失常等。

2.3 蓄電池溫度測試模塊

溫度對蓄電池工作的影響非常大。蓄電池工作的標準溫度為25 ℃，通常處于浮充狀態，溫度過高時蓄電池內阻減小，引起工作電流升高，而隨著蓄電池溫度的進一步提高，將減短蓄電池壽命。

溫度測試模塊選擇負溫度系數（Negative Temperature Coefficient，NTC）熱敏電阻，其采集的溫度區間為-55～200 ℃，能夠滿足蓄電池測試要求。熱敏電阻的阻值大小隨著溫度變化而變化，將熱敏電阻與電阻串聯接入5 V電壓，測量熱敏電阻電壓即可得到熱敏電阻大小，從而測算蓄電池溫度。圖7為溫度信號采集電路，因為測試溫度大小之前要采集電壓信號，所以首先要有采樣保持電路。模塊通過微控制單元（Micro Control Unit，MCU）的輸入/輸出（Input/Output，I/O）端口控制采樣保持電路的通斷，完成信號處理的功能，測得電壓后換算為溫度值[10]。

圖7 溫度信號采集電路

3 基于直流放電法測試內阻的實驗應用

為驗證直流瞬間大電流法內阻測試裝置的功能，對通信電源基站蓄電池組進行測試。該蓄電池組由9節12 V的100 Ah電池組成，測試數據結構如表1所示。裝置測試誤差低于1.5%，測試精度滿足應用要求，并且測試裝置能夠在線測試蓄電池運行參數，對蓄電池不會產生沖擊電流，沒有損害，能夠起到保護蓄作用。

表1 蓄電池內阻測試數據

4 結 論

研究蓄電池內阻的測量方法和特點，在此基礎上設計一種基于直流放電法的蓄電池內阻測量裝置，其測量精度高，降低了測量誤差，測試結果穩定可靠，能夠真實反映蓄電池的運行參數，提高通信電源蓄電池的可靠性和穩定性，具有一定的應用價值。