幾種蓄電池在線測試技術分析
一、蓄電池落後的原因及檢測重要性
閥控式鉛酸蓄電池（VRLA）從一開始便被稱為免維護電池，而生產廠家又承諾該電池的使用壽命為10 ~ 20年（最少為8年），這樣就給我們電力系統維護人員一種誤解，似乎這種電池既耐用又完全不需要維護，許多用戶從裝上電池後就基本上沒有進行過維護和管理，在90年代初，隨著使用時間的增長，使用的VRLA電池出現了很多以前未遇到的新問題，例如電池殼變形、電解液滲漏、電極腐蝕、容量不足、電池端電壓不均勻等，VRLA電池內部接線柱、同極的連接片以及電極接頭的腐蝕而斷裂的現象也比開口式電池更常發生，這些故障都導致容量損失，但VRLA電池端電壓與放電能力無相關性，這使使用單位不易掌握VRLA電池的耐久性和失效問題。我們維護部門以前往往只重視備用電源的設備部分的維護和管理，而忽視電池組的重大作用，殊不知斷電的危險很大程度上就潛伏在電池組。 整組電池充電的特性是，如電池組內有一個或幾個老化電池，其容量必然變小，充電器給電池組充電時，老化電池因容量小，將很快充滿。充電器會誤以為整組電池已充滿而轉為浮充狀態，以恆定電壓和小電流給電池組充電。其餘狀態良好的電池不可能充滿。電池組將以老化電池的容量為標準進行充放電，經多次浮充--放電 --均充--放電--浮充的惡性循環，容量不斷下降，電池後備時間縮短。
所以如不定時檢測，電池和電池組的定期檢測和在線監測是非常重要和必須的，已經是是電源系統中非常重要的環節。但是，從多年的運行維護效果來看，對於蓄電池進行電壓檢測已經不能充分反應蓄電池的問題，預警性和前瞻性較差，無法準確及時找出老化電池。因為浮充電壓小幅值的差異監測並沒有辦法區別和處理，也就是對於電池性能變壞，電池容量已經大幅下降的老化電池的準確判斷，電壓參數無能為力，而是當放電時發現某電池的放電電壓（或曲線）異常才有警告，但一般為時已晚。
如果無法十分清楚地了解蓄電池內部性能參數，如蓄電池的內阻、當前的剩餘容量，如果蓄電池組中有落後的蓄電池,也無法提前準確判斷和維護，所以蓄電池的內阻和當前的剩餘容量的監測可以作為我們有效的手段，VRLA電池和電池組在運行過程中，隨著使用時間的增加必然會有個別或部分電池因內阻變大，呈退行性老化現象，實踐證明，整組電池的容量是以狀況最差的那一塊電池的容量值為準，而不是以平均值或額定值（初始值）為準，當電池的實際容量下降到其本身額定容量的90% 以下時，電池便進入衰退期，當電池容量下降到原來的80%以下時，電池便進入急劇的衰退狀況，衰退期很短，這時電池組已存在極大的事故隱患。
鉛酸蓄電池的工作原理為「雙硫酸鹽化理論」，其結構部件主要為正極板（PbO2）、負極板（鉛等重金屬合金）、板柵等，鉛酸蓄電池在放電時會形成結晶體，充電時鉛離子被還原為金屬鉛。如果我們使用或維護不當，如經常充電不足或過放電，在電池正、負極板接線柱上會逐漸形成一種粗大而堅硬的PbSO4結晶體，這種現象稱為「不可逆化的硫酸鹽化」，簡稱「硫化」。「硫化」使蓄電池內阻增大、容量下降，這種不可逆的硫酸鹽化的原因是硫酸鉛的重結晶，粗大的結晶形成之後溶解度減少，硫酸鉛的重結晶使晶體體積變大，是由於多晶體傾向於其表面自由能的結果。所以，電池產生硫化是蓄電池內阻增加的主要原因，而這對電池的使用壽命影響很大，使用什麼樣的方法進行內阻參數的測試將影響在線監測的最終效果。
在以上的背景下，前段時間的對於蓄電池的在線監測設備進行了深入的調研，以及參加了中試所對六家在線監測設備廠家進行產品試驗，調研後發現各自有其不同的測試方法,總結下來主要是三大類，這幾類在效果上分析起來有著明顯的區別：
二、交流測試法技術分析
交流法就是向蓄電池注入一個低頻率的交流信號，由於蓄電池內部存在的阻抗，注入信號後測量其反饋的電流信號，進行信號處理，比較注入信號與反饋信號的差異，從而測得蓄電池內阻。交流法測量蓄電池阻抗依賴於高速的數位訊號處理技術，但是在系統中的高頻模塊組成的充電機與外界噪音對信號的幹擾無法徹底消除。
其原理可以用以下簡單的公式表示：R=△V/△I
根據以上說明，以及在中試所的試驗中所看到的測試結果來進行分析，對於交流法有以下幾點看法：
1、對於交流注入法實際上只能定義為蓄電池的阻抗。
2、如右圖一所示，一個單體的容量由正負極板形成的, 是傳導通路的兩個平行部分。通過交流信號或做阻抗測試時, 通路中任何部分的電阻增加都會由電容器掩蓋。同時，不同頻率的信號所測得的值也不同，對注入信號要求很高，如頻率的穩定度和正弦波純度都直接影響著測試結果。另外，在線測試時也易受充電器的紋波和諧波的幹擾。
3、由於小容量蓄電池的內阻是毫歐級的數值，而大容量的蓄電池其內阻將是微歐級，從交流法的測試原理上我們知道，依靠測量其反饋的電流信號，進行信號處理，比較注入信號與反饋信號的差異得出內阻，但交流法的電流幅值非常小，一般1A（為了避免對系統的影響，不能太大），這麼小的電流要在微歐級的微電阻上測量其差異變化，所以對於信號處理精度要求非常苛刻、嚴格，非常容易受到充電機與外界噪音對信號的幹擾，導致測試結果的離散性大。
4、在直流系統中注入一個交流信號源，從本質上就對系統造成了汙染，雖然廠家在不斷研究降低頻率（實際上是向直流逼近），但幅值不得不提高，但作為一個信號源不是負載，幅值的提高對系統將會對系統設備正常運行造成嚴重影響，因為我們知道對高頻充電模塊能夠進行冗餘並聯是對於各模塊的輸出特性有嚴格要求的。
三、某公司的離線內阻測試方法技術分析
根據某公司的介紹，其蓄電池的在線監測是結合對放電曲線的分析，進行多項測試，進行綜合判斷，包括以下三點內容：
1、動態大電流（>100A）衝擊負載放電，在短時間內得到電池瞬間的放電曲線，測得內阻：內阻=（蓄電池電動勢-蓄電池電壓）/放電電流。
2、靜態小電流恆流放電，測得蓄電池容量：蓄電池容量=放電電流X時間。
3、對以上參數通過計算機進行綜合計算分析，得出對電池性能的準確評估。
根據以上說明，以及在中試所的試驗中所看到的測試結果來進行分析，對於某公司的測試方法有以下幾點看法：
1、放電曲線固然是檢測蓄電池性的傳統的有效的方法，但在實際在線運行過程中，考慮蓄電池的循環壽命，不可能頻繁的對蓄電池進行容量測試，儘管是靜態小電流恆流放電過程，因為我們電力系統是不允許在線運行的蓄電池長時間處於放電狀態的，所以根據以上蓄電池容量=放電電流X時間的計算公式，在放電時間不足夠的條件下測得的容量不是蓄電池實際容量。
靜態小電流恆流放電測試容量法在線測試結果是不可信的，首先蓄電池組在線運行狀態中，充電機是在不斷為蓄電池提供充電電流的，這個電流是隨電池的負載的變化而自動調節，所以如何保證靜態小電流恆流放電是一個不可在線解決的問題。
2、從內阻計算公式中，蓄電池電動勢是指蓄電池的開路電壓，蓄電池電壓是指蓄電池帶載後的閉合迴路的電壓，由此我們可以知道測試內阻的過程存在二個問題：
一個在測試時必須斷開蓄電池組才可獲取電動勢，這種過程務必使蓄電池組處於開路狀態，在運行中的蓄電池組要處於開路狀態是一個不允許出現的情況，即使是短時的都會存在較大的安全隱患。
二個電動勢與大電流放電後的電壓進行比較計算出的電壓差△U，這個電壓差存在具有很大的不穩定性、很大的離散性，不同的浮充電壓下△V會完全不同，另外其放電時間是極短，時間的取值及誤差會根本上影響電壓的取值，一旦時間大於一個電池的開始極化時間，其內阻就已經不是一具電池的真正的內阻了，與實際的內阻值相去甚遠。
這種方法屬於估值算法，很難實現精確的對具有微量特徵的蓄電池內阻進行測試，分辯率較低，在中試所的試驗中在有意識鬆動連接片時，測試儀無法發現其連接的異常變化，這種測試驗證了以上的分析。
四、美國Albér公司的純直流瞬間大電流放電法技術分析
如圖二所示，由被測電池向負載放出大電流(50-70A)，時間約3.25秒，測量放電電壓穩定後的瞬間斷電壓差△V(V2－V1) 與電流值 (I) 的比值計算出電池的內阻 R內阻＝△V/I；直流放電法測內阻為 Albér 公司專利(專利號：U.S.Patent No.5.744.962)。
純直流瞬間大電流放電法採用加純阻性負載法，是利用零瞬間技術(ZERO TIME)，考慮到蓄電池斷開負載後其電勢會馬上回升的特性，在斷開瞬間同時讀取通路與斷路電壓以及通斷電流差，從而計算出精確的內阻。
根據以上說明，以及在中試所的試驗中所看到的測試結果來進行分析，對於美國Albér的測試方法有以下幾點看法：
1、美國Albér的測試精度、穩定性很好，Albér是測量放電電壓穩定後的瞬間斷電壓差，△V=(V2－V1)；取值的方法須具有特殊性、有效性，該方法取的電壓差具有很好的穩定性，測試時間足夠進入一個穩定期，時間的誤差會根本與電壓的取值無關，同時也跳過初始放電過程中下降變化段，排除電壓和電流下降過程的交流分量，從而確保計算的值是直流電阻值，使其能真正反映電池特性。同時，由於測試電流大、不受電池電容的影響（圖三所示），不但使壓差讀數精確，而且具備很好的抗幹擾能力，讀數穩定，不受充電迴路波紋電壓的影響，可以有效的、充分發現其電阻內部結構的細微變化，而且其測試電流大，迴路中紋波、諧波和尖峰都不會影響其測試的誤差值。
2、無需使蓄電池脫機，避免了系統安全性的隱患；從試驗結果中可以看到，靜態與動態測試結果一致性很好。
3、Albér公司的測試數據的分辯率非常高，從中試所的試驗中雖沒有對大容量的電池進行內阻檢測，但進行了一項非常有價值的測試，就是對於蓄電池間連接狀態進行檢測，對蓄電池間的連接鏍絲有意鬆動，唯有美國Albér公司的儀器能準確的發現細微變化，從這一點上體現了測試數據的分辯率非常高，這對於大容量蓄電池來講是非常重要的，因為電力系統所用的蓄電池都大於300AH，與汽車工業、電動車的電池相差很遠，其內阻僅幾百微歐（零點幾毫歐），如果沒有一個高分辯率的儀器是無法準確發現微量內阻值的趨勢變化，從而找出落後的電池。
4、對於這麼大的電流是否對蓄電池有傷害的問題，根據規程測試中的電流與測試時間的對應關係計算方法，假設按70A為一個小時放電率計算，電池安時數在137AH以上都是正常的測試，何況是瞬間？可見70A的大電流瞬間放電完全在蓄電池的允許工作電流範圍和時間內，不會對電池造成任何傷害。我們以蓄電池進行在線監測的目的是積累蓄電池的運行內阻數據，得到它的運行趨勢，提前發現蓄電池變壞的拐點，將故障排除在發生前,所以，我認為利用大電流符合電力系統對電池負荷能力的檢測要求，真實反映了電池的負荷承受能力和使用性能。
5、產品智能化——內阻數據分析是這一產品的另一方面的關鍵技術，根據Albér提供的資料及對Albér的了解，Albér根據30年的測試經驗和幾十萬次實驗測試總結，同時經過美國AT&T電信公司在20年對該產品使用的實際工作總結，得出蓄電池的內阻大於初始值的25%時，蓄電池容量將低於80%的結論。
五、結論
根據最近省公司的《廣東電網公司變電站直流系統技術規範》對蓄電池內阻不能大於標稱值 50%、蓄電池間內阻一致性要求不大於10%的要求，結合我們所使用的蓄電池容量都是300AH、500AH、800AH居多，這些電池內阻都是幾百微歐，屬於一種微電阻範疇，即使是50%的標準，其絕對值都不會很大，所以要能有效、準確監測到蓄電池內阻和電池間連接狀態以及蓄電池內阻在運行中的變化趨勢，只有選擇分辯率高、精度高、測試穩定、一致性強的測試儀器。
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