黃 偉 孫蒙恩

（深圳鹽田供電局，廣東 深圳 518081）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，配網(wǎng)自動(dòng)化是公司優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境、提升供電可靠性和實(shí)現(xiàn)“四個(gè)大幅減少”等工作的重要支撐手段[1]。蓄電池在配網(wǎng)自動(dòng)化中具有不可或缺的作用，蓄電池作為電源其容量的檢測(cè)非常重要。傳統(tǒng)的蓄電池容量檢測(cè)方法是進(jìn)行整組核對(duì)性放電，即把蓄電池組連接到負(fù)載箱，然后進(jìn)行放電，一直放到截止電壓為止，以此來驗(yàn)證蓄電池的容量。這種方法有很多缺點(diǎn)：測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大，電池組須脫離系統(tǒng)，蓄電池組存儲(chǔ)的化學(xué)能全部以熱能形式消耗掉，即浪費(fèi)電能又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低。針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)試蓄電池容量的方法所存在的不足，該實(shí)驗(yàn)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，模擬出一套蓄電池容量和蓄電池阻抗的關(guān)系表達(dá)式；再通過阻抗的測(cè)試得到模擬的容量大小，克服了上述測(cè)試的不足，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 簡(jiǎn)易裝置設(shè)計(jì)

蓄電池的容量測(cè)試方法主要有以下4種：密度法、電壓法、滿容量放電法和內(nèi)阻（電導(dǎo)）法。

密度法以鉛酸蓄電池為例，因?yàn)殡娊庖褐饕怯裳趸U、鉛以及硫酸鉛共同組成的。所以電解液的密度由氧化鉛、鉛以及硫酸鉛三者的密度共同決定[2]。然而，在應(yīng)用密度法時(shí)有一個(gè)關(guān)鍵性的問題，在蓄電池使用后期，因?yàn)槠湔?fù)極板由于被腐蝕，氧化鉛、鉛以及硫酸鉛三者的比例已經(jīng)明顯發(fā)生變化，導(dǎo)致蓄電池后期是無法以密度值為依據(jù)來推算其容量的，所以該方法不能普遍推廣。電壓法主要是測(cè)量負(fù)載電壓和開路電壓，通過測(cè)量負(fù)載電壓和開路電壓來評(píng)估電池的容量[3]。當(dāng)開路電壓和負(fù)載電壓降低時(shí)，說明電池的容量也在相應(yīng)的下降。這種方法不能較為準(zhǔn)確地確定容量的大小，應(yīng)用局限性較大。滿容量放電法是其中最簡(jiǎn)單的操作方法，也是最準(zhǔn)確測(cè)量電池容量的方法。保證電池處在額定電流的情況下，測(cè)量其放電過程的容量。該過程耗時(shí)較長(zhǎng)，且如果使用次數(shù)過于頻繁，容易引起電池的加速老化，極大地縮短了電池的壽命。測(cè)量?jī)?nèi)阻（電導(dǎo)）法是根據(jù)蓄電池電阻的大小預(yù)測(cè)蓄電池的容量。電導(dǎo)的數(shù)值對(duì)于蓄電池來說，可以較好地反映出電池穩(wěn)定持續(xù)充電的特性，且可較好地預(yù)測(cè)電池的容量。由于反復(fù)使用電池導(dǎo)致蓄電池內(nèi)部的活性材料在內(nèi)部不斷脫落、消耗，電極板中的電解液揮發(fā)，導(dǎo)致蓄電池整體電阻值增加，從而使蓄電池容量減少。這也充分說明蓄電池的內(nèi)阻可以作為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估蓄電池的容量性能。這樣通過電阻的測(cè)量來計(jì)算蓄電池容量的方法，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)[4-5]。

該文設(shè)計(jì)出一種測(cè)量蓄電池容量的簡(jiǎn)易裝置。首先，通過電流采集裝置和電壓采集裝置，得到相應(yīng)電流和電壓的數(shù)值；其次，計(jì)算出相應(yīng)的電阻阻值；最后，依據(jù)電阻和容量的關(guān)系模型計(jì)算出電池容量的大小。該裝置大部分應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中，操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)施，對(duì)電池基本無損傷，具備在配網(wǎng)自動(dòng)化終端巡檢、定檢工作中推廣實(shí)施的條件。

1.1 設(shè)計(jì)的架構(gòu)

配網(wǎng)自動(dòng)化中蓄電池容量測(cè)試設(shè)計(jì)主要分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析3個(gè)階段。該設(shè)計(jì)讓配網(wǎng)自動(dòng)化中電池的內(nèi)阻從現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的電流和電壓值中反應(yīng)出來，再通過相應(yīng)的方法傳輸?shù)诫娔X終端，對(duì)其內(nèi)阻和電量的關(guān)系模型進(jìn)行分析，可以得出所測(cè)蓄電池的容量大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)配網(wǎng)自動(dòng)化中蓄電池容量的監(jiān)測(cè)。

1.2 設(shè)計(jì)的主體

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)階段是該設(shè)計(jì)最主要的部分，所以重點(diǎn)介紹現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)階段。如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電池內(nèi)阻原理主要由高精度A/D轉(zhuǎn)換電路、放電負(fù)載、電流采集、電壓采集以及CPU這5個(gè)部分組成。接下來將會(huì)簡(jiǎn)述各部分的作用以及其中的關(guān)鍵性問題和改進(jìn)方法。

1.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器

通常把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D或ADC）。A/D轉(zhuǎn)換的作用是將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。因此，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過程。在實(shí)際電路中，這些過程有的是合并進(jìn)行的。簡(jiǎn)單來說，就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)的1個(gè)電子元件。而該文是將輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這樣可以方便CPU采集數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@些數(shù)字信號(hào)并不具有實(shí)際的意義，只是可以表示相對(duì)的大小。所以該類轉(zhuǎn)換器需要1個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)，這也是要在后面加入電壓測(cè)量的原因，給出相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，使CPU收集的信號(hào)有意義。

1.2.2 放電負(fù)載

加入負(fù)載是對(duì)電路的保護(hù)，防止在電壓和電流增加的過程中，蓄電池被擊穿，電阻瞬間減少，造成危險(xiǎn)。在測(cè)試時(shí)，通過給出1個(gè)變化的電壓值和電流值，測(cè)量負(fù)載的電流和電壓變化，電壓的變化值除以變化的電流值，可以得出電池加負(fù)載總的電阻值，而負(fù)載的電阻值可以在加入前就得出，可以通過這樣算出對(duì)應(yīng)的電池內(nèi)阻。

1.2.3 電流采集和電壓采集

電流采集是對(duì)蓄電池放電過程中電流大小的測(cè)量。通過負(fù)載電阻的加入，電流也就會(huì)有相應(yīng)的變化。因?yàn)檫@與蓄電池電阻測(cè)試的結(jié)果有直接關(guān)系，所以要求電流采集裝置要有比較高的精度，這樣得出的蓄電池內(nèi)阻才能準(zhǔn)確。電壓采集和電流采集類似，采集放電負(fù)載兩端的電壓，通過電壓和電流的變化，可得出電池內(nèi)部的內(nèi)阻。因此電壓的測(cè)量也是要有相應(yīng)的精準(zhǔn)度的。因?yàn)殡娏骱碗妷旱淖兓怯韶?fù)載電阻的變化來控制的，所以負(fù)載電阻值的選擇可以根據(jù)最初電壓采集的大小來估量。電壓的數(shù)值可以給A/D轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)相應(yīng)的參考標(biāo)準(zhǔn)，得出不同數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的電壓大小，然后從CPU采集的數(shù)據(jù)中表現(xiàn)出來，方便進(jìn)行下一步的分析。

1.2.4 中央處理器（CPU）

CPU作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。CPU自出現(xiàn)以來，在邏輯結(jié)構(gòu)、運(yùn)行效率以及功能外延上取得了巨大的發(fā)展。CPU是A/D轉(zhuǎn)換器信號(hào)的收集裝置。主要是為了方便后面數(shù)據(jù)傳輸和整理。當(dāng)該處收集的信號(hào)和電壓測(cè)試出的真實(shí)值一一對(duì)應(yīng)時(shí)，再進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電池內(nèi)阻原理圖

以上的5個(gè)步驟中，主要是對(duì)精確度有一定要求。例如A/D轉(zhuǎn)換器放電負(fù)載的內(nèi)阻、電流采集和電壓采集都較高的精度要求，這是為了測(cè)出蓄電池的內(nèi)阻更為精準(zhǔn)，方便對(duì)其容量的預(yù)測(cè)。

2 內(nèi)阻與容量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 容量的測(cè)量

首先，采集各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)，利用式（1）可以計(jì)算出蓄電池的從良作為基準(zhǔn)容量，用QC表示。而是壓降時(shí)的蓄電池的放電容量。這個(gè)可以作為接下來蓄電池容量估算的參考數(shù)據(jù)。蓄電池的容量計(jì)算，如公式（1）所示。

式中：T為完全放電的總時(shí)長(zhǎng)；t為各單位壓降的時(shí)間間隔（單位電壓為0.1 V）；為放電電流；為放電電流。

其次，根據(jù)上面的數(shù)據(jù)計(jì)算出蓄電池此次放電的容量，用Qt表示，如公式（2）所示。

最后將蓄電池的放電電壓與之前放電記錄的數(shù)據(jù)作對(duì)比，找出相應(yīng)的容量Qv。黃怡然等[6]利用該方法估算出來的蓄電池容量與實(shí)測(cè)的容量對(duì)比，誤差在5%之內(nèi)，基本符合蓄電池容量測(cè)試要求。

2.2 電阻的測(cè)量

電池內(nèi)阻測(cè)量方法在行業(yè)里面主要分為直流放電內(nèi)阻測(cè)量法和交流壓降內(nèi)阻測(cè)量法。

2.2.1 直流放電內(nèi)阻測(cè)量法

直流放電內(nèi)阻測(cè)量法主要是根據(jù)物理公式R=U/I，測(cè)試設(shè)備，讓電池在短時(shí)間內(nèi)（一般為2 s～3 s）強(qiáng)制通過1個(gè)很大的恒定直流電流（目前一般使用40 A～80 A的大電流），測(cè)量此時(shí)電池兩端的電壓，并按公式計(jì)算出當(dāng)前的電池內(nèi)阻。該方法有明顯的不足之處：1）只能測(cè)量大容量電池或者蓄電池，小容量電池?zé)o法在2 s～3 s內(nèi)負(fù)荷40 A～80 A的大電流。2）因?yàn)楫?dāng)電池通過大電流時(shí)，電池內(nèi)部的電極會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生極化內(nèi)阻；所以，必須把測(cè)量控制在很短的時(shí)間以內(nèi)，否則測(cè)出的內(nèi)阻值誤差很大。3）大電流通過電池時(shí)，會(huì)對(duì)電池內(nèi)部的電極造成一定損傷。

2.2.2 交流壓降內(nèi)阻測(cè)量法

因?yàn)殡姵貙?shí)際上等效于1個(gè)有源電阻，所以，研究人員首先給電池施加了1個(gè)固定頻率和固定電流（目前一般使用1 kHz頻率、50 mA小電流），其次對(duì)其電壓進(jìn)行采樣，經(jīng)過整流、濾波等一系列處理，最后通過運(yùn)放電路計(jì)算出該電池的內(nèi)阻值。交流壓降內(nèi)阻測(cè)量法的電池測(cè)量時(shí)間極短，一般需要100 ms。該測(cè)量方法的精確度也不錯(cuò)，測(cè)量精度誤差一般在1%～2%。

該實(shí)驗(yàn)為了保障實(shí)驗(yàn)的安全性以及加強(qiáng)對(duì)蓄電池的保護(hù)，采用的是交流法測(cè)量電池內(nèi)阻。首先，在電池上加1個(gè)交流測(cè)試信號(hào)；其次，使用相應(yīng)的設(shè)備測(cè)量流過電池的電流I和該電池在該電流下電池的電壓U；最后可以導(dǎo)出阻抗，并計(jì)算出相應(yīng)的電池內(nèi)阻值。阻抗計(jì)算公式如公式（3）、公式（4）所示。

由于交流信號(hào)頻率較大，在該頻率下可以把電容看成一個(gè)導(dǎo)體，選擇性地忽略其影響，測(cè)得的數(shù)據(jù)實(shí)際上就是電阻。劉險(xiǎn)峰等[7]采用該方法得出了阻抗和容量的關(guān)系，并做出相應(yīng)的表格，便于以后通過電阻值對(duì)容量進(jìn)行預(yù)測(cè)。該方法測(cè)量某已工作八年的通信站的蓄電池組容量。實(shí)驗(yàn)可以把測(cè)試誤差控制在1%之內(nèi)，完全符合現(xiàn)在設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

如圖2所示，研究人員把用上述測(cè)試得到的電阻和電容的結(jié)果輸入到相應(yīng)的表格中，就可以得到相應(yīng)電阻和電容的數(shù)值。這里需要注意，當(dāng)容量衰減過多（低于20%時(shí)），內(nèi)阻會(huì)出現(xiàn)急劇增加的情況，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此研究人員對(duì)于容量低于20%的情況不做結(jié)果處理。因?yàn)闇囟葘?duì)電池的容量是也有一定影響，所以研究人員需要把溫度控制在25 ℃，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

詳細(xì)的步驟如下：1）首先是標(biāo)準(zhǔn)充電，以0.5 C （1.3 A）的恒定電流對(duì)電池進(jìn)行充電到4.20 V；其次，再用恒定電壓對(duì)電池充電，直到充電電流降至0.01 C （0.026 A）；再次，將電池靜置1 h；最后，進(jìn)行容量測(cè)試。該方法測(cè)出的容量就是電池最初的放電容量。2）在25 ℃的恒溫環(huán)境下，以0.5 C （1.3 A）的電流強(qiáng)度對(duì)其充放電，每循環(huán)10圈測(cè)試其容量和阻抗，可以得出一系列容量和阻抗的數(shù)據(jù)。做出對(duì)應(yīng)容量和電阻的擬合直線。如圖3所示，可以擬合出一條斜率為13.95525 Ah/Ω，截距是0.0012 Ah的直線，大約方程式為:

y =13.95525x +0.0012

可以根據(jù)電池測(cè)出的電阻，預(yù)估容量的大小。

圖2 容量和阻抗實(shí)驗(yàn)的測(cè)試程序

為了討論新方法的準(zhǔn)確性和可靠性，該文還將1組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證。研究人員首先測(cè)出電池實(shí)際容量和實(shí)際電阻；其次，把實(shí)際電阻帶入式（5）；最后，就可以得出相應(yīng)的預(yù)測(cè)容量。通過比較實(shí)際測(cè)得的容量和預(yù)測(cè)容量，得到相應(yīng)的誤差研究人員選取了20組數(shù)據(jù)，從中可以明顯看出預(yù)測(cè)容量和真實(shí)容量最大誤差為±4%，這完全符合目前電池容量估算的標(biāo)準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，容量的大小與電池內(nèi)阻有一定關(guān)系，之所以電池容量的衰減很可能隨著電池內(nèi)阻而增加，是因?yàn)樗鼈冏裱嗤脑鲩L(zhǎng)趨勢(shì)。這樣的線性相關(guān)也意味它們最有可能歸因于相同的老化機(jī)制。因?yàn)樾铍姵厝萘康乃p，一般都是內(nèi)部活性材料的數(shù)量減少，這增加了電子的傳導(dǎo)阻力。所以，電池容量會(huì)降低并且電池阻抗也會(huì)增加?；谠摾碚摵头椒ㄔO(shè)計(jì)的電阻和容量關(guān)系模型可以通過直接測(cè)電池內(nèi)阻的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)容量的檢測(cè)。

圖3 容量和阻抗的散點(diǎn)圖和擬合線

圖4 電池實(shí)際容量和預(yù)測(cè)容量的誤差

3 結(jié)語

蓄電池作為配網(wǎng)自動(dòng)化的核心部件，對(duì)于配網(wǎng)自動(dòng)化的推廣十分重要。該文提出了內(nèi)阻法測(cè)容量，只需要測(cè)量樣本的電阻值就可以得出蓄電池的容量大小，測(cè)量結(jié)果的精度高，預(yù)測(cè)范圍可以把誤差控制在±5%。依據(jù)該方法設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置，可以滿足遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)地了解蓄電池電阻變化的需求。這為工作人員及時(shí)維護(hù)和延長(zhǎng)蓄電池的生命周期提供了關(guān)鍵性指標(biāo)，極大地減少了人力和物力的投入，實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。該文的方法具有較強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性，為以后容量的檢測(cè)提出了一種新的方法，也對(duì)以后的研究具有重要的借鑒意義。