深圳市供電局有限公司 楊忠亮

深圳市普祿科智能檢測設(shè)備有限公司 王汝鋼、白海江

一、引言

VRLA蓄電池在正常情況下無酸霧和氫、氧氣體排出，無需加水，且功率密度大，占用機房面積小，故而在電力、通信、鐵路等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。由于電池可能在數(shù)月之內(nèi)劣化而使無法提供所需的電量，因而不用費時費力核容放電的方法，定期到現(xiàn)場對電池對電池快速檢測，或安裝電池在線監(jiān)測設(shè)備，及時找出壞的電池并進行處理或更換，對確保后備電源系統(tǒng)的安全可靠工作，具有重要的意義。

二、定義

1、額定容量（rating capacity）：電池生產(chǎn)廠家在電池上標識的電池容量，其單位是Ah。

2、容量（capacity）：表示電池充放電的能力，通常用電池完全充滿電后，標準條件下（25℃，采用0.1C10恒流放電到1.8V截止電壓）能夠放出的電量表示，其單位是Ah。

容量是對蓄電池劣化狀態(tài)的評估，是電池的放電能力，隨著電池使用時間和延長，電池容量會不斷減小。

3、荷電量（SOC：state of charge）：電池當(dāng)前實際可以放出的電量，其單位可以是Ah，也可以是容量的百分比。荷電量SOC在國內(nèi)也有不同的叫法，如充電狀態(tài)、剩余電量等

荷電量（SOC）是電池某一時刻電池的充電狀態(tài)，反映的是電池的此時所載有的電量。

由于電池自放電，即使在浮充狀態(tài)下，個別實際電池可能并未完全充滿電，即荷電量小于100%，此時蓄電池的容量并不等于荷電量（SOC）。

4、健康狀態(tài)（SOH：state of health）：電池在要求的時間周期內(nèi)（不僅在現(xiàn)在而且在將來）能可靠地為負載供電。電池的健康狀態(tài)SOH可以用電池的容量與額定容量的百分比定量地表示。

三、電池模型

蓄電池是一個極為復(fù)雜的系統(tǒng)，其放電及充電反應(yīng)是復(fù)雜的化學(xué)及電化學(xué)過程，真正決定蓄電池容量及荷電量的是電池的化學(xué)和電化學(xué)狀態(tài)。圖1是電池的Thevenin數(shù)學(xué)模型，其中各參數(shù)的數(shù)值可以用多頻點蓄電池測量技術(shù)測得。

圖1：電池的Thevenin數(shù)學(xué)模型

在電池的數(shù)學(xué)模型中各參數(shù)含義如下：

E：蓄電池電動勢，數(shù)據(jù)上等于二氧化鉛電極與鉛電極電勢之差，與電解液濃度有關(guān)；

R1：蓄電池歐姆電阻，包括極板、極柱、溶液、隔膜的電阻及接觸電阻，與極板微孔隙的數(shù)量和孔徑大小（電池的硫酸化造成極板微孔隙的數(shù)量和孔徑減小而使電阻增加）、隔膜飽和度（電池失水造成隔膜飽和度下降而使電阻增加）、溫度（溫度降低使電阻增加）等因素有關(guān)；

R2：蓄電池極化電阻，包括電化學(xué)極化和濃差極化的電阻；

C2：極板雙電層電容，包括正極板雙電層電容的和負極板的雙電層電容。

四、處于浮充狀態(tài)的電池各參數(shù)與電池容量、荷電量的關(guān)系

1、電池內(nèi)阻（R1歐姆電阻）與電池容量的關(guān)系

電池容量反映電池的劣化狀態(tài)。隨著電池使用時間和延長，電池容量會不斷減小。大量的研究和統(tǒng)計都表明，對于VRLA鉛酸蓄電池，造成電池劣化的主要原因是失水、硫酸化、極板腐蝕、熱失控，并且電池的劣化程度與電池的內(nèi)阻不明顯的對應(yīng)關(guān)系。

在1992年和1993年國際能源會議的相關(guān)論文中，對蓄電池的浮充電壓、內(nèi)阻與電池容量的相關(guān)性作了詳細的論證，論文作者測試了1200多個電信部門、UPS系統(tǒng)和鐵路信號設(shè)施的VRLA電池。

圖2：浮充壓電與電池容量的關(guān)系

（1）電池電壓與電池容量的關(guān)系

實踐中發(fā)現(xiàn)，通過浮充電壓進行VRLA電池檢測時，檢測結(jié)果存在一定誤差，甚至有浮充電壓正常但放電時出現(xiàn)嚴重故障的情況。圖2對電池的數(shù)據(jù)用方框法分析148節(jié)電池浮充電壓和容量的相互關(guān)系，結(jié)果表明，預(yù)測有容量缺陷（＜80%）的電池成功率為0/146=0%。

可見，在放電過程中測量電池的電壓，可以預(yù)測電池的容量，而電池浮充電壓與容量無明顯相關(guān)性，對浮充的電池進行電壓監(jiān)測來預(yù)測電池的容量，雖然必要，但也是不可靠的。

（2）電池內(nèi)阻與電池容量的關(guān)系

圖3（a）分析了電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）與容量的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.86。

圖3（b）用方框法分析336節(jié)電池內(nèi)阻和容量的相互關(guān)系，可知，總的成功率為（259+36）/336=88%（好+壞），識別有容量缺陷的電池（＜80%）的電池成功率為（259）/（259+6）=98%。

可見，電池電池內(nèi)阻（電導(dǎo)）與電池的容量具有明顯的相關(guān)性，內(nèi)阻高的電池容量差，可以作為現(xiàn)場快速檢測及判斷電池好壞的指標。

為確保變電站直流系統(tǒng)的安全性，應(yīng)加強對蓄電池的內(nèi)阻測試工作，蓄電池內(nèi)阻的在線監(jiān)測可以監(jiān)測到蓄電池內(nèi)阻的變化趨勢，是早期發(fā)現(xiàn)落后電池的有力措施。

IEEE1186、1188中明確規(guī)定，如果電池內(nèi)阻大幅度（20%或以上）偏離初裝值或整組平均值，應(yīng)對該電池進行進一步測試，如仍達不到要求，則應(yīng)更換。

2、電池內(nèi)阻（R1歐姆電阻）與電池荷電量（SOC）的關(guān)系

圖4：電池內(nèi)阻與電池荷電量（SOC）的關(guān)系

圖4是對電池放電過程中不斷測試內(nèi)阻，得到的電池內(nèi)阻與電池荷電量（SOC）的關(guān)系，從圖中可以看到，在電池放電有前期階段，電池的內(nèi)阻基本不變，只有到放電快結(jié)束時，電池的荷電量（SOC）小于20%時，電池的內(nèi)阻才有明顯變化。

五、電池的荷電量（SOC）與電池的電壓U、歐姆電阻R1、極化電阻R2、雙電層電容C2的關(guān)系

圖5：蓄電池放電及充電過程中R1、R2、C2、U、I的變化

圖5是對不同廠家、有同容量電池進行充放電試驗，過程中采用多頻點蓄電池測試技術(shù)不斷測試蓄電池的電壓U、歐姆電阻R1、極化電阻R2、雙電層電容C2。

可見，電池雙電層電容C2對電池荷電量SOC是極為敏感的，可以作為估算電池SOC的指標；蓄電池極化電阻R2對充電過程的化學(xué)反應(yīng)很敏感，可以作為電池充滿電的標志，防止電池過充時的水解反應(yīng)而降低電池的使用壽命。

根據(jù)此實驗結(jié)果，可以制作電池荷電量（SOC）檢測及監(jiān)測儀器，用于今后變電站的電池狀態(tài)預(yù)測及評估。也可以用于站用充電機均充、浮充等條件的轉(zhuǎn)換，對電池的維護有極其重要的意義。

六、結(jié)論

1、電池電池內(nèi)阻與電池的容量具有明顯的相關(guān)性，內(nèi)阻大的電池容量差，可以作為現(xiàn)場快速檢測及判斷電池好壞的指標。

2、電池荷電量SOC與電池的內(nèi)阻無明顯的關(guān)系，特別是在SOC大于50%的情況下。但作為判斷電池的荷電量（SOC）小于20% 的條件，是切實可行的。

3、在浮充條件下，僅憑電壓來判斷電池的好壞是不可行的。

4、根據(jù)電池的模型及多頻點測試方法，對電池的荷電量（SOC）及容量進行預(yù)測是切實可行的。