關(guān)于內(nèi)阻測試原理

1、關(guān)于內(nèi)阻測試原理隨著蓄電池從開口式密封式到VLRA(閥控鉛酸電池)的演化,以及UPS系統(tǒng)的大規(guī)模使用,采用一種經(jīng)濟(jì)可靠的方法建立電池的容量和傳導(dǎo)途徑形態(tài)的工作被擺到了重要的位置。通過測量電池的內(nèi)阻及浮充電壓和電池特性曲線便可以確定電池性能狀態(tài)。對于建立蓄電池容量和傳導(dǎo)途徑新方法的研究工作一直都沒有停止過。傳統(tǒng)認(rèn)為，電池的容量是在恒流或恒功率下，在一定負(fù)載下達(dá)到最終電壓的額定時間，它是由制造商決定的。新電池實(shí)際容量比它的額定容量一般要大20%左右。電池專家們一致認(rèn)為受控情況下的負(fù)載測試，仍是確定電池容量的唯一正確的方法。這些情況反映在美國的幾個國家標(biāo)準(zhǔn)中；最新的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)表于1995年。但是，人們通

2、過多年的研究和試驗(yàn)而獲得的經(jīng)驗(yàn)，取得了大量的有關(guān)電池特性和測量方面實(shí)用資料。早在1995年公開發(fā)表電池的等效電路和典型數(shù)值（見圖1）電池的內(nèi)部電路模型，使人們能大致地理解電池內(nèi)部參數(shù)與它的傳導(dǎo)途徑和容量的關(guān)系。.電池內(nèi)部電路模型的主要元件是電阻、電感和電容。研究人員使用了各種儀器和方法對電池進(jìn)行測試，測試頻率從幾赫茲到幾千赫茲，以試圖在這些元件與電池的容量之間建立起某種關(guān)系。但得到的結(jié)果常常是混淆的或相反的。對于差不多所有典型的蓄電池應(yīng)用，電感對于電池的性能影響是非常小的，這是因?yàn)樗臄?shù)值實(shí)在太?。▋H有0.05到0.2微亨）。而另一方面電池的電容又出奇的大，每100安時容量即可達(dá)到1.7法拉。

3、這對于充電器制造商們是個好消息，他們可以利用電池的這個特性對充電器的輸出電壓進(jìn)行濾波。但是，極少有證據(jù)顯示出電容與電池容量的關(guān)系。個別研究人員覺得容抗與電池容量的有一定的關(guān)系。但不管怎么說，電化學(xué)電阻隨著測試頻率的增加而增加。測出的阻抗和導(dǎo)納讀數(shù)中同時包含了電容和電感的因素。實(shí)際的內(nèi)阻我們在研制內(nèi)阻測試儀的過程中，精選出一個電池模型，（見圖2）這個模型將電池的內(nèi)阻劃分為金屬電阻和電化學(xué)電阻。這些阻抗是不隨測試頻率變化的。在研究電池容量關(guān)系的過程中，為了獲得最佳的結(jié)果。研究人員甚至使用了極低的頻率甚至零頻率直流放電。（享有很高聲望的日本電話電報(bào)公司是一個關(guān)注電池內(nèi)阻的研究單位。他們的研究人員得出

4、了正是由于內(nèi)阻的增加，從而導(dǎo)致了鉛酸電池性能退化的結(jié)論。通過對試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，他們認(rèn)為用測量電池的內(nèi)阻的方法可估算出85%的退化電池。） 留意下面圖（圖3）容量與普通內(nèi)阻的曲線，這只是一個近似的曲線。多數(shù)人認(rèn)為電池內(nèi)阻與容量之間不應(yīng)只是一條簡單的直線關(guān)系，實(shí)際上應(yīng)該是一個相當(dāng)復(fù)雜的非線性函數(shù)。部分人認(rèn)為直線不能描述電池的容量關(guān)系，這是因?yàn)樵陔姵胤烹娺^程中金屬電阻和電化學(xué)電阻問題所顯示出不同的特性。典型100%容量電池的放電曲線如圖4。顯而易見，增加的內(nèi)阻對電池的容量有著負(fù)面的影響，電池內(nèi)部的功率消耗應(yīng)為I2×R電池內(nèi)阻。由于這部分的能量沒有得以真正利用，從而造成實(shí)際容量的減少。在放電

5、過程中電池容量的減少，與電池內(nèi)部金屬電阻和電化學(xué)電阻變化的依賴關(guān)系是不同的。金屬內(nèi)阻電池的內(nèi)部傳導(dǎo)途徑一直困擾著大多數(shù)電池測試方面的專家。因?yàn)殡姵匦阅芡嘶F(xiàn)象發(fā)生得特別快，這種情況可以在每年、甚至更短的容量測試間隙期間出現(xiàn)。報(bào)廢電池的反常內(nèi)阻說明了電池的極柱、內(nèi)部的匯流排及板柵已成為化學(xué)腐蝕、較差的焊接質(zhì)量及鑄鉛時的犧牲品。這時會看到插入液體中銅表面的腐蝕或已從鉛質(zhì)極柱脫落的狀況。從圖5中可以清楚地看到由于高的金屬電阻而造成的電池容量的損失。極柱上的輸出電壓從放電開始到結(jié)束一直在減少。電化學(xué)電阻涂膏、電解質(zhì)和隔離器構(gòu)成了電池內(nèi)阻中的電化學(xué)部分。長時間的使用會造成活性物質(zhì)減少或涂膏老化，使電池的

6、電化學(xué)電阻不斷增加。在電池充放電時電解液的比重變化、以及隔離器的成份或其表面的化學(xué)構(gòu)成的改變，也都會使電池的電化學(xué)電阻產(chǎn)生暫時的變化。隔離器蠕變、堵塞、短路或者硫化現(xiàn)象，常常會使電池出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象及電化學(xué)電阻的增加。但在閥控鉛酸電池接近報(bào)廢時，電解液的干涸是第一號敵人。圖6說明了電池的電化學(xué)電阻特性。除非電池進(jìn)行過度放電（象耗盡燃料的汽車），否則它的容量不會有明顯的減少。而另一方面金屬電阻則可以看成是油量表的指針。金屬電阻和化學(xué)電阻造成電池額定容量和實(shí)際容量差距最大的兩個原因。內(nèi)阻與電池的老化內(nèi)阻為電池的老化提供了線索。電池的老化過程是基于設(shè)計(jì)時的材料和結(jié)構(gòu)退化的速度。比如正常的電池壽命，是

7、指溫度為75，以及在特殊的浮充環(huán)境及規(guī)定深度的放電和頻率情況下的壽命。緩慢傳導(dǎo)路徑的腐蝕，極板上活性物質(zhì)的脫落，板柵的變形以及VRLA電池液的揮發(fā)，所有這些自然過程都是促使了電池壽命的終結(jié)。內(nèi)阻的增加和容量的減小都是電池老化現(xiàn)象的標(biāo)志。通常情況下，電池的容量低于實(shí)際的80%時，其性能會急速下降，應(yīng)建議更換這個電池。電池的內(nèi)阻在正常情況下增加得很慢，但是當(dāng)電池的壽命快結(jié)束時，內(nèi)阻會加速增大。報(bào)廢電池的內(nèi)阻比正?；蛐码姵氐膬?nèi)阻高25%，有些甚至達(dá)50%。溫度與內(nèi)阻了解溫度對內(nèi)阻的影響是十分重要的。圖7清楚地反應(yīng)了典型的AGM VRLA電池在45下內(nèi)阻和阻抗的快速增加。在溫和的氣候下，對無溫度調(diào)節(jié)環(huán)

8、境下的VRLA電池，應(yīng)考慮季度間測量的電池內(nèi)阻的不同變化。測試時，同時記錄環(huán)境溫度，會節(jié)省做進(jìn)一步測試的時間和防止誤報(bào)警。同樣，受到空氣冷卻的電池讀數(shù)要高于鄰近擋風(fēng)處的電池讀數(shù)。如果條件許可，試著改變一下電池房內(nèi)空氣流動的方向。通過確定電池的內(nèi)阻來判別電池的反常情況和正常的老化。由于采用了直流技術(shù)，因此它可以準(zhǔn)確的重復(fù)測量在線電池的內(nèi)阻。紋波電流、60Hz電場、噪聲以及一般的浮充電流都不會對儀器產(chǎn)生實(shí)際的影響。電池制造商通常利用簡單的歐姆定律來確定電池的內(nèi)阻。他們的一般作法是測量電池放電期間的電壓變化以及電流。我們內(nèi)阻測試的原理見圖8，但是它更快、更精確。圖8中說明了電池與負(fù)載之間的關(guān)系， 電

9、池在負(fù)載接通時， 它的內(nèi)阻會造成瞬間電壓降。在負(fù)載斷開時，又會出現(xiàn)恢復(fù)電壓。讀取電流和負(fù)載斷開前和恢復(fù)后的電池電壓。從而簡單地得出R電池內(nèi)阻=V/I。放電的瞬間測試對于額定容量小于1000A的電池，放電電流8A的時間只有3-4秒鐘。而對于大容量電池來說，這個時間則不到10秒鐘。實(shí)際測試中，在一開始的幾毫秒內(nèi)，便能感應(yīng)到電流。如果電池的內(nèi)阻很高，放電電流會很小，儀器會將放電立即中止。所以，對于一個電池來說，不會損壞電池。許多人會想象一個充滿的蓄電池所儲存能量在減少的同時，電池的內(nèi)阻將會成比例和有相當(dāng)程度的的增加。從對鉛酸電池的電化學(xué)方面的理解，大部分的人都會堅(jiān)持這個觀點(diǎn)。但實(shí)際情況是在電池的能量

10、消耗50%時，內(nèi)阻的增加不會高于5%。而在連續(xù)放電情況下內(nèi)阻將以一種非線性方式急劇增加。由于電池在放電時的這個變化，不具備金屬電阻的特性。因此可以得出下面的結(jié)論：1）電池內(nèi)阻的主要變化只是電化學(xué)部分電阻的變化。2）電池從100%能量降至終止電壓，電化學(xué)電阻只占電池內(nèi)阻的一小部分。 “基準(zhǔn)值”以及取得它的最佳時機(jī)電池學(xué)者們希望一開始就有可用于分析的電池容量和內(nèi)阻的測量數(shù)據(jù)。他們尋求找出電池在100%和容量100%時的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，以確定電池所處的狀況。理想的做法是在電池的安裝工作完畢后。對電池進(jìn)行驗(yàn)收時，進(jìn)行容量測試并測定內(nèi)阻。此時的結(jié)果應(yīng)是非常一致的。它們會被做為基準(zhǔn)值。用來同以后測量到的內(nèi)阻數(shù)據(jù)

11、進(jìn)行比較。不幸的是，在大多數(shù)環(huán)境下，這僅僅是個幻想。因?yàn)榘惭b現(xiàn)場選取工具的倉促和混亂。結(jié)果是失去取得基準(zhǔn)值的最好時機(jī)。另一個獲取數(shù)據(jù)的方法，是在對同期同型號的電池測定完容量后，再取得同型號電池內(nèi)阻的數(shù)據(jù)。注意：以上提到的電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)與容量之間并沒有直接的關(guān)系，它只能是做為了解電池容量的一個比較和參考。要特別注意的是，這些數(shù)據(jù)是用來建立一套基準(zhǔn)值的。通常在浮充的情況下會出現(xiàn)一串電池的內(nèi)阻是一致的，但容量方面卻存在問題。這時建議至少要做大致的維護(hù)及負(fù)載測試，以對測量的內(nèi)阻進(jìn)行驗(yàn)證。判別方法如果電池的內(nèi)阻高于100%基準(zhǔn)值的50%或更高，則應(yīng)更換這個電池。其中建議內(nèi)阻在高于基準(zhǔn)值25%至43%時，要與生產(chǎn)商聯(lián)系。在高于43%時，要使用ASAP對其進(jìn)行負(fù)載測試。有些人認(rèn)為：所有（新電池或性能完好電池）的數(shù)據(jù)都集中在基準(zhǔn)值周圍，而后期測試取得的數(shù)據(jù)，都能合理地接近任何趨勢曲線。也即是，高容量電池有統(tǒng)一的低內(nèi)阻，而低容量電池的內(nèi)阻會按比例增高。但事實(shí)卻使這些人失望，就算在嚴(yán)格控制下生產(chǎn)出來的新電池也不可能符合上述特性。在用戶自行測試過程中，會發(fā)現(xiàn)有一些大容量電池的內(nèi)阻非常高。同樣，具有低阻