直流充电法在蓄电池内阻分析中的实用性探究

2014-12-02邓荣辉广东电网有限责任公司江门供电局广东江门529000

山东工业技术 2014年19期

邓荣辉（广东电网有限责任公司江门供电局,广东江门 529000）

蓄电池是直流系统中的重要组成部分，也是变电站失去关键电源后的最后一道防线，因此蓄电池的可靠性和稳定性对于直流系统的安全运行有直接的影响，也会影响到整个变电站的安全可靠运行。直流系统的负荷。蓄电池实际可等效于一个带有内阻的电压源，不仅电流、电压是反映其电池性能的重要电学参数，内阻也是非常重要的参数之一。过去对蓄电池性的安全监测技术无法对蓄电池组的实际运行状态进行实时在线反映，导致不能有效管理、控制电池。近年来，内阻测量评价蓄电池组性能的方法得到广泛认可。下面笔者就目前最主要的2种蓄电池内阻测量方法进行分析，探索出一种可实时在线精确测量内阻的直流充电法，具体分析如下。

这种测量方法的基本原理是蓄电池中通过一恒定电流I进行充电的过程中，如果在短时间内瞬间增加一个充电电流△I，那么相应的也会使电池内阻增加电压，产生电压增量△U，具体变化如下图1所示。

1 测量蓄电池内阻的常用方法

1.1 常用的主要内阻测量方法

1.1.1 交流注入法

该种方法主要是指将一个低频交流电流信号（△I）注入蓄电池回路中，△I=Isin（wt+ψi），其中w表示角频率，I表示幅值，ψi表示初相角。这样的话，蓄电池电压会产生相应的信号，用△U表示，其表达式为△U=Usin（wt+ψu），其中w表示角频率，U表示响应的幅值，而ψu表示初相角。想要计算出蓄电池的内阻（R），只要将电池两端响应的电压信号△U测量出来即可，可得计算公式如下：

目前在蓄电池内阻测量中应用最多的方法也是交流注入法，该种测量方式对整个直流系统不会产生很大的影响等，在整个蓄电池使用期间内都可精确测量，且对蓄电池的性能也不会造成很大影响。据相关资料显示，该种方法的测量精度超过1%。但是交流注入法馈入信号是有限幅度，蓄电池的内阻基本属于μΩ级或者mΩ级，因此响应的电压变化幅值也处于μΩ级，变电站电磁场、充电机纹波极易干扰信号。特别是在线对电阻进行测量时，产生的影响会更加明显。但是如果重复测量，也会产生一定误差，因此测量精度无法保证。

1.1.2 直流放电法

这种测量方法的主要原理是在蓄电池的两端，在其脱机或静态情况下接入放电负载，然后当前的蓄电池内阻R可以按照不同放电电流测量电池的电压变化值进行计算。内阻的计算公式可表示为：

其中（U2-U1）表示电池电压变化值，（I2-I1）表示不同的放电电流。

直流放电法测量最大的优点就体现在对于环境要求相对较低，电池在线状态也可精确测量电池内阻，并不会受到变电站其他噪声或者充电机纹波的影响，也可以重复测量，重复精度较高，测量精度也较高。但是该种测量条件是必须在蓄电池位于脱机或静态状态下才可测量，需要大电流放电，且电池电压在整个放电的过程中会连续变化，导致在计算电阻时很难选择稳定区的电压值，如果重复测量时，势必会损害蓄电池。

1.2 直流充电法

根据上述分析，交流注入法、直流放电法在内阻测量中都有自己的优点、缺点，可根据实际情况合理选择。但笔者经大量实验研究发现，电池内阻在充放电时的变化具有一定的规律性，若能够及时、全面对蓄电池内阻变化情况进行了解、掌握，那么可不用精确测量电池内阻，即可采取有效的管理、控制措施。鉴于以上2种内阻测量方法很难真正在线实时测量，因此笔者研究出一种可在蓄电池充电过程中进行在线实时监测的方法——直流充电法。

1.2.1 直流充电法的基本原理

图1 直流充电时瞬间电压波形以及电流波形

R的计算公式：

1.2.2 实现直流充电法的电路

在单片计算机的控制下，可控充电电流电路会向电池组或者被充电电池提供直流充电电流，而电流检测电路主要作用是单片计算机充电电流大小的测量以及对调节电流的反馈，且主要是蓄电池两端瞬时电压的测量，并且向单片计算机传输测量结果。然后单片计算机会结合电池端的电压变化将内阻计算出来。同时还可以对充电电流修正增量进行确定，控制可控充电电流电路提供修正后充电电流至蓄电池，进而循环达到最佳的充电控制效果。

2 直流充电法的探究实验

2.1 直流充电法的实验步骤

首先应完全放出实验蓄电池的电量，并且假设蓄电池为未充电状态，也即是充电电流I0=0mA。第1次对蓄电池充入280mA（I1）电流，将电池组突加充电电流前后两端的电压值Ui，2、Ui+1，1精确测量出来。叠加充电电流后，只要持续以该电流充电即可连续补充电池组的能量，也会影响电池电压变化，因此，应分2次分别测量每一个充电电流平台的电压，具体的电压测量法如下图2。

图2 应用直流充电法的电压测量图

电阻计算公式：

可以结合电池内阻大小对电池容量进行判断，也可明确充电电流增量的值ΔI。在叠加下一个充电电流时，应将周期输出充电电流的修正量Ii+2（ΔI+Ii+1）进行调整。然后将电池组充电电流变化前后的两端电压值精确测量，从而计算出内阻，继续叠加新的充电电流并调整电流修正量，一直到将电池内阻变化控制得非常小为止。本次设定调整充电电流的间隔期Δt=60s/次。

2.2 整理内阻测量数据

根据以上实验步骤将内阻测量数据进行整理分析，可得到蓄电池内阻和电池容量在处于直流充电状态的一个关系图，图像近似于曲线，如图3所示。

图3 直流充电法测量的电池内阻和电池容量之间的曲线关系图

2.3 分析直流充电法的结果

根据图3的观察与分析，可得知电池容量较低时，蓄电池内阻在明显偏大，但是一旦充电后，增加蓄电池容量，电池内阻反而会逐渐减小。电池容量超出40%后，基本上蓄电池的内阻变化区间很小。这个现象和夏天等人[2]研究结果基本一致。因此，笔者认为直流充电法在蓄电池内阻测量中是可行的。而且这种内阻测量方法操作比较简便，也可实时在线测量，在电池管理中的应用价值较高。同时，笔者在实验中发现，可通过一些措施使内阻测试精度可进一步提高：

（1）多点测量。为尽可能避免电池充电过程中电压变化影响造成误差，建议在每一个电压区间采集3-5个点同时测量，然后取测量结果的平均值，最后计算内阻。

（2）去极值平均滤波法。为避免充电电流瞬间造成的负载或冲击影响，建议将极值去除，采用平均滤波法尽可能将脉冲干扰消除。

（3）提高控制精度。应确保可控充电电流电路的控制精度较高，恒定输出电流比较稳定。