長光蓄電池容量的半荷內阻測量方法

目前長光蓄電池安全檢測技術正面臨這樣的困境：容量放電試驗對電池有損，耗時費力且含有令人不安的運行風險，不可多用；內阻測試的判別準確率欠佳而難以完全信賴。能否尋找到一種能把容量放電法的高準確率和內阻法的方便安全集中于一身的新方法？這就是介于二者之間、又兼具二者之長的“半荷內阻法”。本文著重討論半荷內阻法的理論依據和實用關鍵。
1 電池組放電的電壓曲線族
單體電池的放電曲線作為電池最重要的性能指標早已為人熟知，放電曲線直觀展現了其電池在一定負載電流下其端電壓的變化規律，在忽略細節后可表述為：
1）終止電壓前的平穩緩慢下降；
2）終止電壓后的快速下跌；
3）終止電壓為上述二線段之間的拐點，可以用二折線法粗略表現一條電壓曲線；
4）電壓拐點前的放電時間和負載電流的乘積被定義為電池的實際容量。
電池最終都以串聯方式成組使用，把串聯電池組各電池的放電曲線繪制在同一坐標中，就能構成一族曲線，簡稱“電壓曲線族”。圖1是用二折線法繪制的電壓曲線族。
蓄電池容量的半荷內阻測量方法
蓄電池組在運行中電壓曲線族不斷變化，其變化規律為：投運初期各電池一致性較好，曲線族分布相對集中，長期運行中單體差異逐漸加大，曲線族分布也逐漸向左移動。圖1中電壓拐點的水平分布表征了電池性能的好壞，電壓拐點靠左的電池應予關注或維護，按照規范，在維護后電壓拐點仍落后于80％標稱拐點的電池應予更換。
需要說明的是：以上電壓曲線族的概念只適合理論分析，在維護實踐上價值不大，因為本來只需準確監測到達電壓拐點的時間就足以解決一切問題，沒有逐點測繪整族曲線的必要。
2 長光蓄電池組放電的內阻曲線族
等效內阻是電池兩極柱上可直接測量的真實物理量，為討論方便忽略不同內阻測量儀的差別，那么以繪制電壓曲線族的同樣方法，也可繪制出蓄電池組放電下的內阻曲線族。
放電狀態下的內阻變化規律不象電壓變化規律那樣為人熟悉，但經大量研究后公認有以下特點：
1）50％荷電率以上變化很小；
2）50％荷電率以下快速上升；
3）放電終止前，內阻值可能上升為初始內阻值的2～4倍；
4）50％荷電率為內阻曲線的拐點，簡稱內阻拐點，可以用二折線法粗略表現一條內阻曲線。
這里所述的“荷電率”，定義為單體實存電量與本電池真實容量之比，屬單體變量；另外，定義實放電量與標稱容量之比為“標稱放電深度”，屬全組變量。需注意因二者的定義不同，其數值變化方向相反。這樣在放電過程中，全蓄電池組執行了一個統一的標稱放電深度，其數值越放越大，而執行中各單體電池的荷電率卻各不相同，其數值越放越小。
為了清晰地表達內阻曲線族的變化規律，特地選擇了一個有代表意義的蓄電池組模型：模型組由3節標稱容量1000A·h的蓄電池組成，以實際容量1000、800、600A·h分別代表電池組內好、中、壞3種典型類型，其浮充內阻分別為0.20mΩ、0.20mΩ、0.27mΩ。請注意1000A·h與800A·h的內阻都等于0.20mΩ，這一數值既肯定獲有實測數據的支持，也在刻意提示滿電下的內阻分布確實存在與“內阻大容量小”相關性規律不符的例外。再假設放電終止內阻為初始內阻的3倍，圖2是按以上參數用二折線法繪制的內阻曲線族。
蓄電池容量的半荷內阻測量方法
圖2中每條曲線都以100％真實荷電率和初始內阻值為起點，以0％真實荷電率和初始內阻的3倍值為終點，而以50％真實荷電率和初始內阻的略大值為拐點。實測經驗表明，用二折線法繪制的內阻變化曲線與真實數據之間的誤差，不會影響本文的分析結果。
內阻曲線族的實用意義比電壓曲線族大很多，實用意義大的關鍵在于具有實時可比性：因為在電壓曲線族中，有比較意義的是各電池到達終止電壓的時間，在圖1中表現為拐點之間的水平間距。而在內阻曲線族中，有比較意義的是不同放電深度下的不同內阻值，在圖2中表現為某水平值下曲線之間的垂直間距。在測量方法上，前者必須連續不間斷地采樣計時，而后者只需在指定時間一次采樣，特別是后者在不同時間下的各組采樣值具有非常有用的比對價值，即實時可比性。
如果說內阻曲線族還不夠直觀，可以借鑒圖象處理的思路，引入內阻分布“反差”的概念，反差是一種可計算的單一實時變量。反差概念的引入，將賦予內阻曲線族比電壓曲線族更為積極的學術意義和實用價值。