交流放電法測試蓄電池內(nèi)阻.docx

內(nèi)阻交流放電法在蓄電池在線監(jiān)測中的應(yīng)用時間：2012-08-03 10:56:59來源： 作者：葉啟明蓄電池作為直流電源系統(tǒng)的核心組成部分，起作儲備電能、應(yīng)付電網(wǎng)異常和特殊工作情況、維持系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵作用，是電力系統(tǒng)正常工作的最后一道防線。當(dāng)前，蓄電池在線監(jiān)測逐漸被人們所重視，在電力、通信等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛，但是，蓄電池在線監(jiān)測及狀態(tài)評估所采用的關(guān)鍵技術(shù)-內(nèi)阻交流放電法并不被人們所了解，還在模糊認(rèn)識中。從理論分析和大量實驗證明，蓄電池工作狀態(tài)及預(yù)計使用壽命與內(nèi)阻具有密切的關(guān)系，目前國內(nèi)外使用的蓄電池監(jiān)測設(shè)備及蓄電池狀態(tài)分析設(shè)備都是以蓄電池內(nèi)阻為主要指標(biāo)，結(jié)合蓄電池內(nèi)阻的變化速率及歷史數(shù)據(jù)，建立起專家系統(tǒng)，對蓄電池狀態(tài)進(jìn)在線評估，預(yù)計其使用壽命?，F(xiàn)代電站和變電站都采用大容量蓄電池，其內(nèi)阻極其微小，為幾十到數(shù)百微歐，甚至接頭的松緊程度都會對測量結(jié)果造成影響，并且蓄電池在線工作時有一定的充電紋波干擾，因而使傳統(tǒng)的電阻測量技術(shù)難以達(dá)到測量要求，應(yīng)采用微電阻精密測量技術(shù)進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測量才行。1蓄電池的內(nèi)阻模型圖1為蓄電池的簡化等效電路。圖中Rc為蓄電池正負(fù)電極的極化電阻，C為正負(fù)電極的雙電層電容等效值。R為蓄電池的歐姆電阻。蓄電池連接部分主要是歐姆電阻，而電極極化部分既有歐姆電阻又有極化電阻。1.1歐姆電阻：由極板、匯流排、極柱、電解液、隔膜等的電阻組成，它們服從歐姆定律。1.2極化電阻：它包括濃差極化電阻和電化學(xué)極化電阻，由擴(kuò)散極化電阻、電荷傳遞電阻組成，是由電極動力學(xué)過程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移引起，它們不服從歐姆定律。1.3濃差極化：電流通過蓄電池后，引起正負(fù)電極表面附近的電解液濃度變化，進(jìn)而產(chǎn)生濃極化電動勢，其大小與電流大小、溫度、電極反應(yīng)速率、電遷移、擴(kuò)散速度有關(guān)。1.4電化學(xué)極化：當(dāng)電流通過蓄電池時，由于電極過程某一步的遲緩，阻礙了電極過程的進(jìn)行，使電極電位離開平衡電極電位。其大小與電流大小、溫度、電極真實有效表面積等因素有關(guān)。2影響蓄電池內(nèi)阻的因素影響蓄電池內(nèi)阻的因素主要有：2.1蓄電池使用的時間：隨著使用時間的增加，使電解液失水、極板與連接條的腐蝕、極板的硫酸化、極板變形及活性物質(zhì)的脫落等因素，造成蓄電池容量減小，蓄電池內(nèi)阻變大。2.2蓄電池的電荷量：由于注入蓄電池的電解液深度、電極表面反應(yīng)物質(zhì)的厚度、電極表面的孔隙率等不同，而使蓄電池的內(nèi)阻相差較大，從而電荷量也相差較大。2.3溫度：環(huán)境溫度的變化，例如上升，這時反應(yīng)物質(zhì)的擴(kuò)散加快、電荷傳遞、電極動力學(xué)過程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移更容易進(jìn)行，因而蓄電池內(nèi)阻減小。反之，就會增加。2.4蓄電池的型號：不同生產(chǎn)廠、不同種類、不同型號的蓄電池，由于電極、電解液、隔膜的材料配方不同，電池的結(jié)構(gòu)不同、裝配工藝不同而使蓄電池內(nèi)阻產(chǎn)生差異。2.5測量信號頻率：目前許多蓄電池內(nèi)阻測量，實際上測的是蓄電池的阻抗，內(nèi)中包括了容抗，而容抗大小和測量信號頻率有關(guān)，使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果不具有客觀性。要具有客觀性，應(yīng)根據(jù)測量信號電流和電壓的相位關(guān)系，用解析的方法去除蓄電池電容對測量結(jié)果的影響，使測量率結(jié)果與信號測量頻率無關(guān)，即在任何測量信號頻率下，內(nèi)阻測量結(jié)果具有唯一性。2.6測量時間和測量電流大?。涸诓捎幂^大測量電流的情況下，在施加測量信號和關(guān)閉測量信號的瞬間，由于極化的建立和穩(wěn)定是個變化過程，不同的測量電流，不同的測量時間，極化是不同的，使蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果不具有客觀性。要具有客觀性，應(yīng)盡量用較小的信號電流進(jìn)行內(nèi)阻測量，根據(jù)實驗，測量電流小于或等于0.05C10，(其中C10為10小時放電率下蓄電池的容量。)3用內(nèi)阻交流放電法測量蓄電池內(nèi)阻內(nèi)阻交流放電法是在交流注入法蓄電池內(nèi)阻測量技術(shù)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的發(fā)展，該方法綜合了交流注入法和直流放電法的優(yōu)點。其原理是用CPU通過D/A控制智能負(fù)載，使蓄電池向智能負(fù)載放電，產(chǎn)生一個低頻(頻率小于100HZ)，幅值約為0.01C10-0.05C10 的正弦波交流信號(頻率為fo，角速度為=2fo的電流I=IoSin(oT),其中C10為10小時放電率下蓄電池的容量。在蓄電池上產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為：U=UoSin(oT+); 其阻抗為：Z=Uo/IoXej交流放電法蓄電池內(nèi)阻測量原理圖見圖2。3.1 MOS管：MOS管的作用是由CPU通過D/A控制MOS管，使蓄電池向負(fù)載放電，產(chǎn)生特定頻率的、幅值穩(wěn)定的正弦波激勵信號。3.2多路開關(guān)：多路開關(guān)由CPU控制，進(jìn)行信號的切換。以實現(xiàn)蓄電池組中每節(jié)蓄電池內(nèi)阻的測量。3.3耦合電容：其作用是隔離直流，而使交流信號順利通過。為保證測量電路的精度，耦合電容要保證嚴(yán)格的匹配性。3.4可編程帶通濾波器：蓄電池在線工作時，充電裝置紋波電流可能相當(dāng)大，一些UPS電源的紋波電流有數(shù)安甚至數(shù)十安，遠(yuǎn)大于測量信號，如果不采取濾波，后級的放大器將會飽和?？删幊處V波器的設(shè)計可以使頻率接近為測量信號頻率，而其它頻率信號不能通過。這樣后級的放大器可以將微弱的測量信號進(jìn)行有效的放大。3.5高速同步A/D轉(zhuǎn)換器：它可以實現(xiàn)電流信號和電壓信號的同步高速采樣，確保電流信號和電壓信號嚴(yán)格的相位關(guān)系，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。3.6 DSP：雖然經(jīng)過前級的濾波去除了大部分干擾信號，但仍有相當(dāng)?shù)母蓴_信號和有效信號一起被采樣進(jìn)來，如不進(jìn)行處理，將會嚴(yán)重影響測量精度。由于只有頻率為fo的信號為有效信號，利用DSP的數(shù)字運算能力，對采樣信號用FFT算法分別提取電流、電壓采樣信號中頻率為fo的信號部分進(jìn)行運算。電流、電壓采樣信號送入DSP后，DSP對信號進(jìn)行如下處理：3.6.1對電流和電壓采樣信號進(jìn)行FFT變換，分別計算出電流信號和電壓信號的頻譜分布:3.6.2分別提取頻率為fo的電流和電壓信號：電流信號：I=IoSin(oT+1)電壓信號：U=UoSin(oT+2)3.6.3計算蓄電池的阻抗、內(nèi)阻和相位差：阻抗為： Z()=Uo/Ioej相位差為：=2-1.蓄電池內(nèi)阻為：R= |Z()|COS3.6.4將結(jié)果送入CPU，并進(jìn)行顯示、存貯，以便進(jìn)行其他分析。3.7 CPU：采用飛利浦公司ARM蕊片LPC2478，對各個單元進(jìn)行控制，以及和其它設(shè)備進(jìn)行通訊。4內(nèi)阻交流放電法測量內(nèi)阻的特點4.1安全可靠：蓄電池工作主回路不接入任何器件，測量回路設(shè)計有10仟歐的限流電阻和保險管，測量回路為高阻設(shè)計，蓄電池工作回路和測量回路安全獨立，互不影響，可以在蓄電池在線工作時更換蓄電池監(jiān)測設(shè)備。4.2放電電流小，對蓄電池?zé)o損害：因放電電流為0.01-0.05C10，不對蓄電池產(chǎn)生沖擊，不會造成柵極板變形及活性物質(zhì)脫落，對蓄電池壽命無影響。4.3抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)于對工作中的蓄電池進(jìn)行實時在線監(jiān)測：采用可編程帶通濾波器進(jìn)行濾波。用數(shù)字信號處理技術(shù)對信號進(jìn)行處理，有效地消除了直流充電裝置紋波對測量的影響，具有很好的抗干擾性能，適應(yīng)于對工作中的蓄電池進(jìn)行實時在線監(jiān)測。4.4測試精度高，狀態(tài)評估和壽命預(yù)測準(zhǔn)確：帶通濾波器+多級高精度運算放大器+數(shù)字信號處理，使蓄電池內(nèi)阻測試精度高于傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法測量蓄電池內(nèi)阻，能準(zhǔn)確反映蓄電池老化狀況及壽命預(yù)測的要求。蓄電池內(nèi)阻在線測量精度要在2%以內(nèi)，重復(fù)精度在1%以內(nèi)，目前傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法是無法達(dá)到的。4.5測試的結(jié)果是蓄電池的真實內(nèi)阻，和測量時間、信號頻率、測試電流大小無關(guān)，具有客觀