蓄電池容量的半荷內(nèi)阻測量方法

　　目前蓄電池安全檢測技術(shù)正面臨這樣的困境：容量放電試驗(yàn)對(duì)電池有損，耗時(shí)費(fèi)力且含有令人不安的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，不可多用;內(nèi)阻測試的判別準(zhǔn)確率欠佳而難以完全信賴。能否尋找到一種能把容量放電法的高準(zhǔn)確率和內(nèi)阻法的方便安全集中于一身的新方法?這就是介于二者之間、又兼具二者之長的“半荷內(nèi)阻法”。本文著重討論半荷內(nèi)阻法的理論依據(jù)和實(shí)用關(guān)鍵。

　　1 電池組放電的電壓曲線族

　　單體電池的放電曲線作為電池最重要的性能指標(biāo)早已為人熟知，放電曲線直觀展現(xiàn)了其電池在一定負(fù)載電流下其端電壓的變化規(guī)律，在忽略細(xì)節(jié)后可表述為：

　　1)終止電壓前的平穩(wěn)緩慢下降;

　　2)終止電壓后的快速下跌;

　　3)終止電壓為上述二線段之間的拐點(diǎn)，可以用二折線法粗略表現(xiàn)一條電壓曲線;

　　4)電壓拐點(diǎn)前的放電時(shí)間和負(fù)載電流的乘積被定義為電池的實(shí)際容量。

　　電池最終都以串聯(lián)方式成組使用，把串聯(lián)電池組各電池的放電曲線繪制在同一坐標(biāo)中，就能構(gòu)成一族曲線，簡稱“電壓曲線族”。圖1是用二折線法繪制的電壓曲線族。

?

　　蓄電池組在運(yùn)行中電壓曲線族不斷變化，其變化規(guī)律為：投運(yùn)初期各電池一致性較好，曲線族分布相對(duì)集中，長期運(yùn)行中單體差異逐漸加大，曲線族分布也逐漸向左移動(dòng)。圖1中電壓拐點(diǎn)的水平分布表征了電池性能的好壞，電壓拐點(diǎn)靠左的電池應(yīng)予關(guān)注或維護(hù)，按照規(guī)范，在維護(hù)后電壓拐點(diǎn)仍落后于80%標(biāo)稱拐點(diǎn)的電池應(yīng)予更換。

　　需要說明的是：以上電壓曲線族的概念只適合理論分析，在維護(hù)實(shí)踐上價(jià)值不大，因?yàn)楸緛碇恍铚?zhǔn)確監(jiān)測到達(dá)電壓拐點(diǎn)的時(shí)間就足以解決一切問題，沒有逐點(diǎn)測繪整族曲線的必要。

　　2 蓄電池組放電的內(nèi)阻曲線族

　　等效內(nèi)阻是電池兩極柱上可直接測量的真實(shí)物理量，為討論方便忽略不同內(nèi)阻測量儀的差別，那么以繪制電壓曲線族的同樣方法，也可繪制出蓄電池組放電下的內(nèi)阻曲線族。

　　放電狀態(tài)下的內(nèi)阻變化規(guī)律不象電壓變化規(guī)律那樣為人熟悉，但經(jīng)大量研究后公認(rèn)有以下特點(diǎn)：

　　1)50%荷電率以上變化很小;

　　2)50%荷電率以下快速上升;

　　3)放電終止前，內(nèi)阻值可能上升為初始內(nèi)阻值的2～4倍;

　　4)50%荷電率為內(nèi)阻曲線的拐點(diǎn)，簡稱內(nèi)阻拐點(diǎn)，可以用二折線法粗略表現(xiàn)一條內(nèi)阻曲線。

　　這里所述的“荷電率”，定義為單體實(shí)存電量與本電池真實(shí)容量之比，屬單體變量;另外，定義實(shí)放電量與標(biāo)稱容量之比為“標(biāo)稱放電深度”，屬全組變量。需注意因二者的定義不同，其數(shù)值變化方向相反。這樣在放電過程中，全蓄電池組執(zhí)行了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)稱放電深度，其數(shù)值越放越大，而執(zhí)行中各單體電池的荷電率卻各不相同，其數(shù)值越放越小。

　　為了清晰地表達(dá)內(nèi)阻曲線族的變化規(guī)律，特地選擇了一個(gè)有代表意義的蓄電池組模型：模型組由3節(jié)標(biāo)稱容量1000A·h的蓄電池組成，以實(shí)際容量1000、800、600A·h分別代表電池組內(nèi)好、中、壞3種典型類型，其浮充內(nèi)阻分別為0.20mΩ、0.20mΩ、0.27mΩ。請(qǐng)注意1000A·h與800A·h的內(nèi)阻都等于0.20mΩ，這一數(shù)值既肯定獲有實(shí)測數(shù)據(jù)的支持，也在刻意提示滿電下的內(nèi)阻分布確實(shí)存在與“內(nèi)阻大容量小”相關(guān)性規(guī)律不符的例外。再假設(shè)放電終止內(nèi)阻為初始內(nèi)阻的3倍，圖2是按以上參數(shù)用二折線法繪制的內(nèi)阻曲線族。

?

　　圖2中每條曲線都以100%真實(shí)荷電率和初始內(nèi)阻值為起點(diǎn)，以0%真實(shí)荷電率和初始內(nèi)阻的3倍值為終點(diǎn)，而以50%真實(shí)荷電率和初始內(nèi)阻的略大值為拐點(diǎn)。實(shí)測經(jīng)驗(yàn)表明，用二折線法繪制的內(nèi)阻變化曲線與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的誤差，不會(huì)影響本文的分析結(jié)果。

　　內(nèi)阻曲線族的實(shí)用意義比電壓曲線族大很多，實(shí)用意義大的關(guān)鍵在于具有實(shí)時(shí)可比性：因?yàn)樵陔妷呵€族中，有比較意義的是各電池到達(dá)終止電壓的時(shí)間，在圖1中表現(xiàn)為拐點(diǎn)之間的水平間距。而在內(nèi)阻曲線族中，有比較意義的是不同放電深度下的不同內(nèi)阻值，在圖2中表現(xiàn)為某水平值下曲線之間的垂直間距。在測量方法上，前者必須連續(xù)不間斷地采樣計(jì)時(shí)，而后者只需在指定時(shí)間一次采樣，特別是后者在不同時(shí)間下的各組采樣值具有非常有用的比對(duì)價(jià)值，即實(shí)時(shí)可比性。

　　如果說內(nèi)阻曲線族還不夠直觀，可以借鑒圖象處理的思路，引入內(nèi)阻分布“反差”的概念，反差是一種可計(jì)算的單一實(shí)時(shí)變量。反差概念的引入，將賦予內(nèi)阻曲線族比電壓曲線族更為積極的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。