鉅大LARGE | 點擊量：894次 | 2021年12月30日
內阻交流放電法在蓄電池在線監測中的應用
蓄電池作為直流電源系統的核心組成部分，起作儲備電能、應付電網異常和特殊工作情況、維持系統正常運轉的關鍵用途，是電力系統正常工作的最后一道防線。當前，蓄電池在線監測逐漸被人們所重視，在電力、通信等行業應用越來越廣泛，但是，蓄電池在線監測及狀態評估所采用的關鍵技術---內阻交流放電法并不被人們所了解，還在模糊認識中。
從理論分析和大量實驗證明，蓄電池工作狀態及預計使用壽命與內阻具有密切的關系，目前國內外使用的蓄電池監測設備及蓄電池狀態分析設備都是以蓄電池內阻為重要指標，結合蓄電池內阻的變化速率及歷史數據，建立起專家系統，對蓄電池狀態進在線評估，預計其使用壽命。現代電站和變電站都采用大容量蓄電池，其內阻極其微小，為幾十到數百微歐，甚至接頭的松緊程度都會對測量結果造成影響，并且蓄電池在線工作時有一定的充電紋波干擾，因而使傳統的電阻測量技術難以達到測量要求，應采用微電阻精密測量技術進行蓄電池內阻測量才行。
1蓄電池的內阻模型
圖1為蓄電池的簡化等效電路。圖中Rc為蓄電池正負電極的極化電阻，C為正負電極的雙電層電容等效值。R為蓄電池的歐姆電阻。蓄電池連接部分重要是歐姆電阻，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。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
1.2極化電阻：它包括濃差極化電阻和電化學極化電阻，由擴散極化電阻、電荷傳遞電阻組成，是由電極動力學過程和物質轉移引起，它們不服從歐姆定律。
1.3濃差極化：電流通過蓄電池后，引起正負電極表面附近的電解液濃度變化，進而出現濃極化電動勢，其大小與電流大小、溫度、電極反應速率、電遷移、擴散速度有關。
1.4電化學極化：當電流通過蓄電池時，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。
2影響蓄電池內阻的因素
影響蓄電池內阻的因素重要有：
2.1蓄電池使用的時間：隨著使用時間的新增，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的脫落等因素，造成蓄電池容量減小，蓄電池內阻變大。
2.2蓄電池的電荷量：由于注入蓄電池的電解液深度、電極表面反應物質的厚度、電極表面的孔隙率等不同，而使蓄電池的內阻相差較大，從而電荷量也相差較大。
2.3溫度：環境溫度的變化，例如上升，這時反應物質的擴散加快、電荷傳遞、電極動力學過程和物質轉移更容易進行，因而蓄電池內阻減小。反之，就會新增。
2.4蓄電池的型號：不同生產廠、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，電池的結構不同、裝配工藝不同而使蓄電池內阻出現差異。
2.5測量信號頻率：目前許多蓄電池內阻測量，實際上測的是蓄電池的阻抗，內中包括了容抗，而容抗大小和測量信號頻率有關，使蓄電池內阻測量結果不具有客觀性。要具有客觀性，應根據測量信號電流和電壓的相位關系，用解析的方法去除蓄電池電容對測量結果的影響，使測量率結果與信號測量頻率無關，即在任何測量信號頻率下，內阻測量結果具有唯一性。
2.6測量時間和測量電流大小：在采用較大測量電流的情況下，在施加測量信號和關閉測量信號的瞬間，由于極化的建立和穩定是個變化過程，不同的測量電流，不同的測量時間，極化是不同的，使蓄電池內阻測量結果不具有客觀性。要具有客觀性，應盡量用較小的信號電流進行內阻測量，根據實驗，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用內阻交流放電法測量蓄電池內阻
內阻交流放電法是在交流注入法蓄電池內阻測量技術的基礎上更進一步的發展，該方法綜合了交流注入法和直流放電法的優點。其原理是用CpU通過D/A控制智能負載，使蓄電池向智能負載放電，出現一個低頻(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ω=2πfo的電流I=IoSin(ωoT),其中C10為10小時放電率下蓄電池的容量。在蓄電池上出現的電壓響應為：
U=UoSin(ωoT+Φ);其阻抗為：Z=Uo/IoXejφ
交流放電法蓄電池內阻測量原理圖見圖2。
3.1MOS管：MOS管的用途是由CpU通過D/A控制MOS管，使蓄電池向負載放電，出現特定頻率的、幅值穩定的正弦波激勵信號。3.2多路開關：多路開關由CpU控制，進行信號的切換。以實現蓄電池組中每節蓄電池內阻的測量。3.3耦合電容：其用途是隔離直流，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大，一些UpS電源的紋波電流有數安甚至數十安，遠大于測量信號，假如不采取濾波，后級的放大器將會飽和。可編程帶通濾波器的設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行有效的放大。3.5高速同步A/D轉換器：它可以實現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格的相位關系，并將模擬信號轉換為數字信號。3.6DSp：雖然經過前級的濾波去除了大部分干擾信號，但仍有相當的干擾信號和有效信號一起被采樣進來，如不進行處理，將會嚴重影響測量精度。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的信號部分進行運算。電流、電壓采樣信號送入DSp后，DSp對信號進行如下處理：3.6.1對電流和電壓采樣信號進行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(ωoT+φ1)電壓信號：U=UoSin(ωoT+φ2)3.6.3計算蓄電池的阻抗、內阻和相位差：阻抗為：Z(ω)=Uo/Io×ejφ相位差為：φ=φ2-φ1.蓄電池內阻為：R=|Z(ω)|×COSφ3.6.4將結果送入CpU，并進行顯示、存貯，以便進行其他分析。3.7CpU：采用飛利浦公司ARM蕊片LpC2478，對各個單元進行控制，以及和其它設備進行通訊。4內阻交流放電法測量內阻的特點4.1安全可靠：蓄電池工作主回路不接入任何器件，測量回路設計有10仟歐的限流電阻和保險管，測量回路為高阻設計，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測設備。4.2放電電流小，對蓄電池無損害：因放電電流為0.01--0.05C10，不對蓄電池出現沖擊，不會造成柵極板變形及活性物質脫落，對蓄電池壽命無影響。4.3抗干擾性強，適應于對工作中的蓄電池進行實時在線監測：采用可編程帶通濾波器進行濾波。用數字信號處理技術對信號進行處理，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，適應于對工作中的蓄電池進行實時在線監測。4.4測試精度高，狀態評估和壽命預測準確：帶通濾波器+多級高精度運算放大器+數字信號處理，使蓄電池內阻測試精度高于傳統的直流放電法和交流注入法測量蓄電池內阻，能準確反映蓄電池老化狀況及壽命預測的要求。蓄電池內阻在線測量精度要在2%以內，重復精度在1%以內，目前傳統的直流放電法和交流注入法是無法達到的。4.5測試的結果是蓄電池的真實內阻，和測量時間、信號頻率、測試電流大小無關，具有客觀性，也便于數據的橫向比較。5結束語利用現代微電腦蕊片處理器CpU來控制管理蓄電池在線內阻測量技術，能極大提高蓄電池內阻的測量精度和真實性，并且具有安全可靠、放電電流小、抗干擾能力強、便于和其它微機設備進行信息交流和通訊等優點，是一種不錯的、值得提倡推廣的，新的測試技術和方法。可供電站、變電站和有關供電部門參考與研討。
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