蓄电池内阻的检测技术

1. 直流测量电池欧姆内阻

对于平板单电极，当有阶跃电流i流过时，其电压会随时间t而变化t＞5× 10-5s时，电压变化η可用下表示。

式中，Cd电极附近的双电层电容值；i0交换电流密度；RΩ电极欧姆内阻；N、R、T、F、n均为常数。

第1项等号右侧(4-4)i×RΩ表示电极欧姆内阻引起的电压变化与时间无关；第二项表示厚差极化随时间变化；第三项表示电极附近双层电容充电引起的电压变化，T趋于0；第四项表示电极反应的电化学极化和铅电池i0较大，则1/i0必然很小。因此，当t趋于0时，η趋于i×RΩ。

从这个角度来看，当电池中有阶跃电流I流过时，电压会发生变化；只要测量T趋于0时电池电压的变化ΔU，电池的欧姆内阻可以计算出来。试验结果表明，当电池以恒电流I放电时，测量为0.5～1ms内电压的变化ΔU1，则由RΩ=ΔU1/I即可算出蓄电池的欧姆内阻。

目前，一些部门使用的电池电导测试仪的测试原理相似。已知频率(约10)Hz）将振幅电压加到单个电池的端子上，观察相应的电流输出，用这种方法测量电池的电导(或电阻)。由于其频率较低，信号持续时间较长（100ms），测量的电阻既含有欧姆内阻，又含有变化的浓差极化内阻(此时忽略了活化极化内阻)。

2.测量电池内阻的交流方法

由于电池中的电极是多孔的，多片电极紧密并联，其交流阻抗等效电路极其复杂，理论上无法准确解决，电池中的多孔电极问题只能根据平板电极的理论分析结果近似处理。当电池中的恒定电流流过时，端电压随时间而变化，不同时间测量的电压变化包含不同的成分，因此通过交流法测量的电池内阻随交流信号的频率而变化。过去，电池的内阻是通过交流阻抗法测量的，但没有得到准确的结果。主要原因是无法建立准确的等效电路，并受到外部噪声的严重干扰。

电池内阻采用交流法测量时，交流信号的频率范围为0.5Hz～10kHz。虽然电池阻抗模与频率对数之间没有严格的线性关系，但在高频区域(1~10kHz）变化很小，所以此时的阻抗模作为电池内阻。目前使用的电池电导测试仪是已知频率(10Hz）和幅值（1V）将正弦交流电压添加到电池的两极柱上，然后测量与电压相位相同的电流值，从而计算电池的电导(或内阻)。虽然理论上，纯电阻负载上的正弦交流电压和电流相同，即电导测试仪测量的电池电导是内阻的倒数，但实际测量结果与交流频率有关，因为交流频率低，信号周期长达100ms，测量的电阻包括金属电阻和电化学电阻。因此，电导测试仪测量的电池电导的含义不够明确，包括金属电阻和电化学电阻的影响；其次，从测量的电导来看，小于2500Ah电池内阻为入的误差接近毫欧级，严重干扰了测试结果。

3.Cellcorder电池多用测试仪的工作原理

Cellcorder电池的工作原理与直流法测量电池欧姆内阻的工作原理相同，其特点是测量速度更快、更准确。采用现代微处理器和固态电路控制技术，在微处理器的控制下完成了整个测试过程。提供快速准确的数据，判断读数是否有效，然后记录结果。

测量蓄电池内阻原理图如图4-2所示。电池端电压与电流之间的关系曲线在图4-2中给出。当电池负载连接时，其内阻会导致瞬时电压降。经过3～4s负载放电电流达到稳定值后，在关闭负载放电电流前测量稳定电流值I和电压值U1。负载电流关闭后，电池端电压将恢复上升。Cellcorder电池端电压可读取负载电流关闭前后的瞬时电池端电压U1、U从而简单得出Rn=ΔU/I=（U2-U1）/I。

负载放电瞬时测试是Cellcorder与目前市场上其他电池市场上其他电池电导(内阻)测试仪的关键特点，可以为用户提供令人信服的数据。Cellcorder多用电池测试仪的负载放电电流为20~70A，放电时间很短，额定容量小于1万Ah电池只有3~4s；对于容量较大的电池，放电时间仅接近10个s。以下试验是为了确认短时间大电流的影响和安全性。

一根绝缘导线（AWG流过20#27英寸长Cellcorder测试电流(20~70A）无损坏和明显发热。在实际测试开始的毫秒级时间内，Cellcorder电池可以通过测试仪感知放电电流。若蓄电池内阻较大，则放电电流较小，仪器将立即终止放电。因此，负载放电试验不会对腐蚀性内部导体的电池造成更严重的损坏，除了对内部导体造成特殊。经过数万次电池测试，Cellcorder蓄电池多用测试仪的负载放电测试不会造成蓄电池开路。

Cellcorder电池多用测试仪采用直流技术，可以准确重复测量在线电池的内阻，精度更高(分辨率为1μΩ）重复精度高（±5%)。纹波电流，50/60Hz干扰电磁场、噪声和正常浮充电流不会影响仪器读数。

Cellcorder电池多用测试仪可以测试在线浮充、开路甚至部分放电的电池。通过定期准确测量电池的电压和内阻，形成数据文件，利用其电池内阻变化趋势分析软件，对定期测量的电池内阻历史数据进行变化趋势分析，或与电池容量100%时的内阻值(参考值)进行比较，可以判断和预测电池的性能。电池内阻的变化为电池的老化提供了相关信息。蓄电池的老化过程取决于设计的材料和结构退化的速度。例如，正常电池寿命是指温度为25℃在特殊特殊浮充条件和规定放电深度和频率下的寿命。电池传导路径的缓慢腐蚀、极板上活性物质的脱落、板栅的变形和电池电解质的挥发，都促进了电池寿命的终结。电池老化过程的标志是内阻和容量的增加。一般情况下，当电池实际容量小于80%时，电池性能会迅速下降，建议更换电池。在正常情况下，电池的内阻增加非常缓慢，但当电池寿命结束时，内阻会迅速增加。报废电池的内阻一般比正常电池高25%，有的甚至高50%。

当电池容量为100%和80%时，电池测试专家希望获得内阻数据的基准值，以确定电池的状态。获得基准值的最佳时间是在电池安装完成后测试电池的容量并测量内阻。此时的结果应该非常一致，这些数据应该作为基准值保存IEEE/ANSIP-1188中的基准。将测量的内阻数据与基准值进行比较，然后决定维护或更换电池。获取基准值数据的另一种方法是在测量同一型号的电池容量后，获取同一型号不同时期的电池数据，然后根据时间积累报废或80%容量电池的相关数据。

实际内阻测试技术

(1)电池实际内阻

电池的实际内阻由金属电阻和电化学电阻组成。内阻的增加导致铅酸电池性能的退化。容量与内阻之间的关系曲线为近似曲线（不是简单的直线关系，而是相当复杂的非线性函数关系），如图4-3所示。

典型的100%容量蓄电池的放电曲线如图4-4所示。内阻增大对蓄电池容量有着负面的影响，蓄电池内阻的功耗为I2×Rn。这部分能量没有真正使用，导致实际容量下降。在放电过程中，电池容量的降低不同于电池内金属电阻和电化学电阻的变化。

① 金属电阻。报废电池的异常内阻是由电池极柱、内内部汇流排、板栅的化学腐蚀、焊接质量和铸铅质量造成的，在电池产品的测试中容易检测到。从图4-5中可以清楚地看到大金属电阻造成的电池容量损失。极柱上的输出电压从放电开始到结束。

② 电化学电阻。电池内阻中的电化学部分由涂层、电解质和隔板组成。长期使用电池引起的活性物质减少、涂层老化、阀控电池电解质比例变化、隔板成分或表面化学成分变化、阀控电池电解质干燥都增加了电化学电阻。图4-6显示了电池的电化学电阻特性。除非电池过度放电，否则其容量不会显著降低。

金属电阻和电化学电阻构成电池的实际内阻，内阻的增加导致电池实际容量的降低。因此，通过使用特殊的测试仪器来测试电池的内阻，可以评估电池的优缺点，并估计电池的剩余容量。

(2)电池实际内阻试验方法的原理

ALBERCORP的专利技术（U.S.PATENTNO：5、744、962)测试电池实际内阻的原理是:测量电池负载放电(700A左右）电压降和断开负载时的瞬时电压恢复，然后测量电池极柱上电压和电流的瞬时变化，可以推导出相应电池的实际内阻。内阻试验公式为

式中，U1是电池瞬时电流对负载放电的电压值；U2.断开负载时瞬时恢复的电压值；I即时负载放电电流。由于快速采样速度可以完全准确地收集U1、U2、I，并立即计算，A/D在有效测量直流参数的同时，转换器可以忽略电池的交流信号。因此，仪器可以确地测出内阻，同时抗干扰能力强，重复性好，可在高噪声的环境中对蓄电池进行在线测试。另外，根据采集的浮充电压与采集放电后的电压之差，对同类、同组的蓄电池进行比较，即可知道蓄电池性能的优劣。

    以每只蓄电池出厂前厂家给出的在额定容量下的内阻值或用户验收时测得的在额定容量下的内阻值为基准值（参考值），进行比较，分析评估蓄电池性能的优劣。实践证明，通常当蓄电池内阻高于基准值的25%时，往往已无法通过容量测试；当高于基准值的50%时，完全不必进行容量测试即可更换。

5.蓄电池内阻的在线测试结果分析

    目前，进口和国产的用于在线测试蓄电池内阻或电导的测试仪已在一些部门得到应用，然而在实践中发现，通过在线检测蓄电池内阻（电导）来判断蓄电池的性能并不令人满意。这些采用AC测试方法的测试仪，在测量蓄电池内阻（电导）时离散性较大，重复精度较差。为此对3种不同蓄电池测试仪的测量结果进行分析对比，利用蓄电池内阻变化趋势分析软件，对定期测量的蓄电池内阻历史数据进行变化趋势分析，来判断和预测蓄电池的性能，作为蓄电池容量测试的预估测试和替代方法，并提出了对落后蓄电池容量的测试方法。

（1）数据收集例如，用3种不同厂家的蓄电池内阻（电导）测试仪，对同一组蓄电池进行在线测试，测试结果如表4-2所示，发现相同蓄电池的测量电导（或折算成电导）差异较大。

    从表4-2中的测试数据可以看出，蓄电池组中1号蓄电池的电导最大（内阻最小），20号蓄电池的电导最小（内阻最大），3种测试仪的测试结果相对值表现出一致性。采用HIO-KI的内阻测试仪的测量值（内阻）偏大，折算成电导偏小；采用MIDTRONICS的电导测试仪的测量值（电导）偏大，折算成内阻偏小；采用ALBERCORP测试仪的测试结果与采用MIDTRONICS的测试结果相近，即使如此，其电导平均值之间的差异也为8.6%。

    蓄电池内阻（或电导）的测量值，应与用同一种测试仪测量的蓄电池内阻（或电导）基准值进行比较，才能可靠判断和预估蓄电池的性能。对定期测量的同一蓄电池内阻的历史数据进行变化趋势分析，或者与蓄电池在100%容量时的内阻值（基准值）进行比较，才能可靠判断和预测蓄电池的性能。

（2）落后蓄电池在线测试方法分析

    从上面的分析中得知，要测准运行中的蓄电池组的容量，必须用深放电恒流控制的方法；从蓄电池容量试验的方法又知，可以用测量的落后蓄电池的容量来代替整组蓄电池的容量。从现有电源系统中查找落后蓄电池可用监控系统。这样一来就形成了用监控系统来查找落后蓄电池，为落后蓄电池进行容量试验创造条件，再来导出整组蓄电池容量的新方法，即蓄电池容量测试法，也就是对用监控系统判断出的落后蓄电池进行容量测试。

    落后蓄电池容量测试法可以离线进行，也可以在线进行，不影响设备的正常使用。单体蓄电池在充电时的电压是2.18V（浮充电压设定值），升到2.35V（低压恒压充电的规定值），它的最大变化量是ΔU=2.35V-2.18V=0.17V；放电时的初始电压是2.18V，下降到1.8V（容量试验电压终止值），它的最大变化量是ΔU=2.18V-1.8V=0.38V，所以单体蓄电池的充、放电电压变化为0.17～0.38V（浮充供电时的供电电压）。落后蓄电池容量测试法的优点是简单、操作方便、测量准确、不影响电路正常工作，但它要有3个先决的条件。

    ① 必须要有具有监控系统的电源系统，并且监控要能够检查到每只蓄电池，或者能用智能检测器、电导仪等确切查出落后蓄电池。

    ② 购买的活化仪，不但要能充电，而且要能放电，放电时要能够按指定的小时率恒流放电，并用软件计算出放出容量。

    ③ 测试前整组蓄电池必须处在正常浮充状态下，工作中不允许对蓄电池组进行充、放电工作。