蓄电池内阻在线测量方法的研究

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1、蓄电池内阻在线测量方法的研究蓄电池内阻在线测量方法的研究哈尔滨龙易电气有限公司于雷摘要：本文讨论了蓄电池内阻的几种测量方法，并着重讨论了交流测量法的特点，并讨论了内阻在诊断蓄电池性能，及时发现落后电池中的使用方法。结合大量的工程数据，验证内阻作为判据的有效性。摘要：本文讨论了蓄电池内阻的几种测量方法，并着重讨论了交流测量法的特点，并讨论了内阻在诊断蓄电池性能，及时发现落后电池中的使用方法。结合大量的工程数据，验证内阻作为判据的有效性。后备电源的使用场合，往往采用的蓄电池容量很大，在几十到数千安时，电池的内阻值很小，随电池容量的增大，内阻减小，例如 3000Ah 的电池，其内阻值一般在 50-

2、70 微欧。由于测量值的微小，为提高在线测量的准确度，因此需要考虑充电机存在充电纹波以及负载的微小变动。1 直流方法直流方法是在电池组两端接入放电负载，测量电压的变化（U1- U2）和电流值（I）计算电池的内阻（R） 。蓄电池从浮充状态切换到放电状态， 典型的电压跌落过程如图 3- 4 所示。 通过一个专用的设备实现指定的恒流（一般采用较大电流，如 40A 以上） ，进行电压跌落的观察，测量两个电压值 U1与 U2,通过上式，计算得到蓄电池的内阻值。由于内阻值很小，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带IUUR21图 3- 4 蓄电池放电电压曲线1.951.961.971.981.9

3、922.012.022.032.04020406080100120140电压 U1电压 U2蓄电池放电电压（V）放电时间（min）龙易电气来困难； 另外， 由于放电过程电压的变化， 需要选择稳定区域计算电压变化幅值。实际测量中， 直流方法所得数据的重复性较差， 其测量结果的偏差很难达到 10%以下。2 交流方法交流方法相对直流法要简单。当使用受控电流时，I = ImaxSin(2ft),产生的电压响应为：V = VmaxSin(2ft + )若使用受控电压激励，V = VmaxSin(2ft),产生的电流响应为：I = VmaxSin(2ft - )两种情况的阻抗均为：即阻抗是与频率有关的复阻

4、抗，其模 |Z|= Vmax/Imax, 相角为。一般情况下激励引起的电压幅值变化小于 10mV， 这样能保证阻抗测量的线性。使用方波在技术实现上更为简单， 通过改变方波的频率可以测试电池的阻抗谱。从理论上讲，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻。R = Vav/ Iav式中Vav- - - - 为检测到交流信号的平均值；Iav- - - -为馈入交流信号的平均值在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级，因此，产生的电压变化幅值也在微伏级，信号容易受到干扰。尤其是在线测量时，会受到充电机或用电负载的影响。射频干扰也影响检波器的输出。3、

5、内阻在线测量技术分析后备电源的使用场合，往往采用的蓄电池容量很大，在几十到数千安时，电池的内阻值很小，随电池容量的增大，内阻减小，例如 3000Ah 的电池，其内阻值一般在 50- 70 微欧。由于测量值的微小，为提高在线测量的准确度，因此需要考虑充电机存在充电纹波以及负载的微小变动。 jeIVmaxmaxf 龙易电气3.1、不同测量方法对内阻值的影响不同型号的测量仪器可能使用不同的内阻测量方法，尤其是不同的测试频率， 所获得的电池内阻数据有较大的差异。 美国 Midtronics 公司采用低频 （30Hz）测量蓄电池的电导，而日本 HIOKI 公司则采用高频（1000Hz）进行阻抗的测量。当

6、然电导与阻抗是一个互为倒数的关系， 无论采用哪个名词对于蓄电池性能的判断都是一致的。从蓄电池的阻抗谱图来分析，仪器所测的内阻值除反映了欧姆内阻外，还部分反映了电化学阻抗。无论那种测量方法，在数值上存在一定的差异，这当然由于测量原理的不同所致，同时测量的蓄电池内阻的含义不同。以下是对开口铅酸电池和阀控密封铅酸电池（VRLAB）用不同的仪器进行测试的数据对比。对一组 20 只 12V38Ah 铅酸阀控蓄电池组， 分别采用 HIOKI3550 内阻测试仪（工作频率 1000Hz，测量电流为几十 mA）和 LM 系列蓄电池在线监测装置（工作频率 10Hz，测量电流 1A）测量 20 只蓄电池的内阻，其

7、结果如图 2 所示。从图 1 可以明显看出，LM 系列蓄电池在线监测装置所测数据均比 HIOKI3550 的数值高。但从图 2 还发现，两种方法测量的数据虽存在差异，但反映蓄电池差异的趋势方面是一致，所以对于蓄电池内阻而言，如何反映蓄电池的差异，即对于内阻参数的合理使用，是重要的。05101520123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20HIOKI3550 LY蓄电池监测装置在蓄电池的理论中，始终将蓄电池的内阻作为蓄电池的重要参数加以论述，但在实际中在，如何利用内阻参数的意义上，分歧较多。尤其在用蓄电池的内阻监测蓄电池性能失效方面，存在诸多争论。其实采

8、用不同测量标准、不同条件下的测量蓄电池内阻，并讨论其意义（即与性能、容量等的关联性） ，由于标准不一，蓄电池内阻值（m）图 2 不同测试方法的铅酸蓄电池内阻蓄电池序号龙易电气其结论自然不一。 为了便于问题的分析， 为此引入内阻的相对性、 绝对性的概念。3.2、内阻参数的相对性与绝对性内阻存在相对性与绝对性的两方面特性，应充分认识内阻参数相对特性与绝对特性的意义，从而全面把握内阻这一重要参数。关于内阻参数的相对性方面是指，在众多铅酸蓄电池参数中，其内阻值是一个比较特殊的概念，这主要是因为：1、首先作为蓄电池内阻，其包含了欧姆阻抗和极化阻抗，蓄电池内阻是指在某种条件下的数值，如是充电态还是放电态，

9、充、放电的不同阶段，内阻是不同的，只有在明确其状态和明确其测量标准，才能有其具体意义，这是其本质的相对性。2、作为测量手段和方法的不同，由于测量原理不同，其包含的意义也不尽相同。这是因为测量方法和手段，对于欧姆阻抗和极化阻抗而言，在采用不同测量方法和手段时，各部分在测量值中所占比例差异较大，所以只有在明确其测量标准后，讨论才具有现实意义，这是蓄电池内阻参数测量方面相对性。几十年来，在实践中广泛采用直流放电法，测量蓄电池内阻，即使这样，也同样是一个相对数值。虽然大家沿用至今，但仍然不能将其绝对化。近十几年来，随着新技术的涌现，对于内阻测量的新方法，也不断涌出。如果仍然将直流法测量的内阻绝对化，

10、则无法接受新的测量手段带来的对内阻意义的理解。关于内阻绝对性是指蓄电池在运行或失效过程中，其内阻的变化是绝对的，从以下几个方面可以明确：1） 、在实际应用中，目前没有一个蓄电池性能严重衰减或容量严重下降，但其内阻没有变化的实例。 通过近十年对蓄电池内阻的研究及国外相关机构的研究报告，都准确地说明了这一点。2） 、在蓄电池失效模式中 （尤其是阀控铅酸蓄电池） ， 无论何种模式的失效，都必然在内阻得以体现。正是由于内阻的相对性及其变化的绝对性，为实际应用带来了清晰的理论：a、只有在同一条件下，同一手段方法测量的内阻才是讨论蓄电池性能的参数的根本； 在此标准下， 讨论蓄电池内阻变化与蓄电池性能或容量

11、存在其关联性，龙易电气才可能得出准确可靠的结论。b、在同一条件下，采用不同手段方法，测量蓄电池内阻，内阻的含义不尽相同，其数值不可能完全一致。但始终以一种手段方法，测量蓄电池不同条件下的内阻变化，用以考察蓄电池性能状况是可行的。c、在不同条件下，采用不同手段方法，测量蓄电池内阻，以期建立蓄电池内阻与蓄电池性能或容量衰减的某种关联， 是不能成立的。 但可以在相同条件下、相同手段方法下，测量内阻变化值与蓄电池性能状况或容量衰减建立某种关联，这样才能清楚地加以分析。4、不同荷电状态对内阻值的影响蓄电池处于不同的状态，其内阻值也有很大的差异，这可以通过比较蓄电池不同状态下（充电、放电）内阻参数的不同而

12、得到非常有意义的指导。图 3是在哈尔滨岁宝电厂直流操作电源中的一组 104 只蓄电池组（电池电压为 2V）中的一只蓄电池，在实际测量过程中，蓄电池自浮充状态下，放电充电全过程内阻与电压的变化曲线。从图中可以看到：在蓄电池不同的荷电态下，蓄电池的内阻数值是不同的，并且随着荷电的下降，蓄电池内阻呈上升趋势。同一只蓄电池在放电结束后转入充电状态，直至充满为止过程中，蓄电池内阻的变化是与电压呈相反趋势，即内阻趋于变小。即在表述蓄电池内阻的同时，注明蓄电池的荷电状态，这是讨论内阻在实际中意义的条件。图 4 是蓄电池在不同放电倍率下内阻变化的曲线。00.511.522.530100200300400500

13、电压 内阻放电进行中充电进行中蓄电池电压（V）32.521.510.50蓄电池内阻（m）图 3 放电/充电过程电压/内阻变化放电时间（min）龙易电气从该曲线图可以看出：随放电电流的改变，其内阻变化的曲线不同；但无论是在什么放电倍率下的电流，在放电初期，蓄电池的内阻是不随放电电流的改变而改变，即当蓄电池放电初期，内阻是一个相对稳定的数值，并不随外界的条件的改变而变化。而当蓄电池处于在放电初期阶段，可以认为蓄电池处于充满电的状态；通过以上分析，自然得出这样的结论：在蓄电池浮充充满电状态下，蓄电池的内阻是一个相对稳定的数值，其不随外界条件的改变而变化。这一个结论带来积极的实际意义是：是否可以在蓄电

14、池放电初期，通过测量内阻的变化，作为蓄电池性能劣化的判断依据，抑或可以直接反映蓄电池性能变化。5、现场数据比对图 5 与表 1 是在长春诚高公司进行的厂内测试的电池内阻直方图以及数据列表。首先选择一组 20 只电池的电池组（电池电压 12V） ，接入 LM 系列蓄电池在线监测装置系统，进行蓄电池内阻的测试；然后将 No1No5 更换为已知失效的蓄电池（且是同容量、同状态下） ，进行再次测量。为验证内阻与性能劣化的关系，进行放电测试，与其他电池进行比对试验，这 5 只电池的容量都在 10，（） 10 20 24681012141618202224022020018016014012080400内

15、阻1312111090电压 V图 4 不同放电倍率下蓄电池内阻的变化龙易电气而其他电池容量在 80以上。0510152025303540455012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20更换前 更换后从表 4 可以看出 NO1NO5 蓄电池更换前后的内阻变化之大，从内阻的变化可以看出蓄电池性能的差异。表 1 不同性能电池内阻对照表第一次测量第二次测量序 号电压（V）内阻 （m） 序 号电压（V）内阻 （m）1-P12.46110.851-P12.69519.782-S12.72915.892-S10.411129.073-P12.39011.633-P1

16、2.65818.204-P12.69011.134-P12.64517.985-S12.74515.235-S更换为 性能劣 化的蓄 电池12.60118.406-S12.71815.466-S12.69714.987-S12.74915.527-S12.72215.108-S12.73415.568-S12.70915.219-P12.71110.549-P12.68510.3710-S12.75715.6110-S12.73415.1511-S12.83615.0311-S12.81214.6812-S12.82114.2012-S12.78913.8213-P12.69510.4313-P12.67010.2514-P12.37711.3414-P12.36311.1115-S12.74315.8715-S12.72215.3916-P12.33111.8716-P12.31211.4917-S12.82015.0817-S12.79114.6918-P12.43611.0618-P12.415