大型蓄电池内阻与短路电流的检测方法讨论

郝 丽，王 瑜，陈 冬，倪 丹，党志敏

(1.浙江南都电源动力股份有限公司，浙江杭州311305；2.上海核工程研究设计院，上海200233)

对于阀控式铅酸蓄电池的用户和电池制造商来说，电池的高安全性和良好的使用性能至关重要。电池的短路电流和内阻水平是判断电池综合性能的一个重要参数，能够精确测量已成为业界共同关注的话题。目前较常用的蓄电池内阻测试方法主要有交流法和直流法[1]。已公布的国内外技术标准均采用直流二次放电法测量电池的短路电流和内阻[2-3]，标准里测试步骤规定了对电池第二次放电时采用了20I10(A)快速大电流放电的要求。这样的大电流对于大型蓄电池如标称容量为3 000～4 000 Ah 的蓄电池则需要6 000～8 000 A 的超大放电电流，目前的仪器设备较难达到超大电流响应快速、检测数据精确、稳定的控制，这是应用直流二次放电法实现大型蓄电池内阻测量的一个技术难点，检测机构也很少具备这样超大电流的检测能力。

本文提出了一种基于国内外标准方法的直流二次放电法，降低了放电电流，能够较准确测量蓄电池内阻和短路电流的测试方法。

1 VRLA 铅酸蓄电池的内阻

1.1 铅酸蓄电池的内阻模型及测试等效电路

早在20 世纪50 年代，铅酸蓄电池的内阻模型[4-5]已被研究者提出，主要是由铅酸蓄电池的电动势E、欧姆内阻R1、电化学极化内阻R2、内部电感L 和双电层电容C 构成，如图1 所示。欧姆内阻是由电池的板栅、铅膏、汇流排、隔板和电解液等全部组件组成的内阻形成的。电化学极化内阻包括浓差极化内阻和活化极化内阻。

图1 铅酸蓄电池内阻等效电路模型

当铅酸蓄电池在短时或瞬间大电流放电时，蓄电池中电化学反应的反应物和生成物浓度无明显变化，认为极化内阻很小[6]。而电感的数量级极小为10-6H，也可忽略电感的影响[7]。同时，在直流放电条件下也可避开电容带来的影响。因此，铅酸蓄电池的内阻主要是由欧姆内阻引起的。

此时铅酸蓄电池的内阻模型又可以等效为一个理想的电压源E 和电阻R，如果已知电路中的电流I 和电压U，由欧姆定律就可以求出铅酸蓄电池的内阻：

在本文的实验中，为了采用国标方法的直流二次放电法来实现铅酸蓄电池内阻的测量，将测试电池直接连接在蓄电池充放电测试仪的端线侧，其等效电路如图2 所示。实际运行时蓄电池给负载充放电测试仪放电，测试仪会自动调节内部的可变电阻Rx来控制回路中放电电流的大小。通过两次瞬时放电，电路中可测出电流I1和I2,电压U1和U2。由公式(1)就可以推出铅酸蓄电池的内阻。

图2 蓄电池内阻测试等效电路

1.2 铅酸蓄电池内阻和短路电流的国内外标准检测方法

在国际标准IEC60896-2:2004 和国家标准GB/T19638.1-2014 等标准中采用的是直流二次放电法测量铅酸蓄电池的内阻和短路电流，通过两次放电测量电池电压的变化后计算得出结果，具体的测试方法为[3]：

经容量实验达到额定容量值的蓄电池完全充电后，在20～25 ℃的环境中，通过两点法测定U=f(I)放电特性曲线，如图3 所示。第一点(Ua，Ia),以电流Ia=4 I10(A)放电20 s，测量并记录蓄电池的端电压Ua值，间断5 min。不经再充电确定第二点，第二点(Ub，Ib)，以电流Ib=20 I10(A)放电5 s，测量并记录蓄电池端电压Ub值。根据式(3)～(4)计算出蓄电池的内阻与短路电流，即：

图3 蓄电池放电特性曲线

直流二次放电法的优点是能够准确地测量蓄电池的内阻与短路电流，并且重复性较好，能够避免交流注入法电源纹波和其他噪声源的影响[8]。大容量蓄电池实现大电流20 I10(A)放电需用到可放出超大电流的高精度恒流控制和时间控制等检测技术，现有仪器设备较难实现，检测成本也较高。

2 测试方法

本实验通过降低二次放电法中的大电流放电，采用小电流放电，实现大容量蓄电池内阻和短路电流的测量。实验基于国家标准GB/T19638.1-2014 中的直流二次放电法，通过改变第二点放电电流Ib，设计Ib分别为15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(单位为A)，比较计算结果与标准方法Ib=20 I10(A)时测得的结果是否一致。

将表1 中的测试工步重复测试3～5 次，可依据式(3)和式(4)计算出蓄电池的内阻和短路电流，连续测试的平均值可作为其标称值。

表1 测前充满电的实验工步

将表2 中的工步1 到4 重复测试3～5 次，与表1 的实验结果进行比较。然后尝试用不同的Ib放电电流如15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(单位为A)，分别进行表2 中的测试，实验结果与Ib=20 I10(A)的比较。

表2 测前不补充电的实验工步

实验蓄电池采用南都电源公司生产的GFM-200、GFM-500、GFM-1000 以及GFM-4000 电池。

实验所用到的检测仪器为美国Bitrode 蓄电池循环充、放电测试仪。

3 结果与讨论

3.1 不补充电连续测试与测前充满电的比较

由于标准规定蓄电池完全充电要24 h，测前每次都充满电的测试周期太长，所以选用两只小容量蓄电池GFM-200，研究不补充电连续测试与测前充满电的结果差异性，如无差异即可缩短测试周期。实验以连续5 次测前充满电测得的内阻和短路电流的平均值作为标称值，计算两者的偏差，结果见表3。

表3 不补充电连续测试内阻与短路电流的数据

从表3 实验数据结果可知，蓄电池不补充电连续测试的内阻和短路电流重复测量的稳定性较好，并且与标准方法测得的标称值非常接近，内阻偏差低于1.5%，短路电流偏差低于1.6%，验证了连续测试不补充电实验的有效性。后面实验均采用该方法。

3.2 Ib选用不同的放电电流实验

对1# GFM-200 蓄电池，设置Ib分别为15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(单位为A)，分别进行内阻和短路电流实验，并与标称值比较，计算结果见表4、表5。

表4 不同的Ib 测的内阻数据

表5 不同的Ib 测的短路电流数据

从表4 的实验数据看出，降低第二点放电电流Ib后，蓄电池的内阻与标称值对比后，最大偏差由小到大依次为：10I10(0.9%)＜15 I10(4.5%)＜8 I10(21.8%)＜5 I10(221.1%)，结果表明：Ib=10 I10(A)时蓄电池内阻偏差最小，最接近标称值。

从表5 的数据可得知，调整第二点放电电流Ib后，蓄电池的短路电流与标称值对比后，最大偏差由小到大仍然是：10 I10(1.9%)＜15 I10(4.2%)＜8 I10(29.0%)＜5 I10(205.7%)。结果表明Ib=10 I10(A)时偏差最小，短路电流最接近标称值。

3.3 验证Ib=10 I10(A)时大容量蓄电池的内阻和短路电流测量的可行性

选用大容量蓄电池GFM-500、GFM-1000 以及超大容量的GFM-4000 进行实验，按照表1 方法测试三次的平均值作为标称值，与Ib=10 I10(A)时进行比较。测试数据见表6和表7。

表6、表7 中的数据表明，在测量大容量蓄电池500、1 000 Ah 的内阻和短路电流时，Ib=10 I10(A)作为直流二次放电法中的第二点放电电流，与用标准方法测出的结果较吻合，内阻偏差小于1.1%，短路电流偏差小于1.3%。再次验证了该方法同样适用于大容量蓄电池的内阻和短路电流的精确测量。最终采用此法能够实现测量超大容量4 000 Ah 蓄电池的内阻和短路电流。这在蓄电池安全性能方面提供了十分重要的技术参数。

表6 Ib=10 I10 (A)大容量蓄电池的内阻数据

表7 Ib=10 I10 (A)大容量蓄电池的短路电流数据

4 结论

对国家标准和国际标准中内阻与短路电流的检测方法作了改进，将第二点大电流20 I10(A)依次降低为15 I10、10 I10、8 I10、5 I10(单位为A)，经过上述大量实验，发现当电流降低到10 I10(A)时，小容量、大容量的蓄电池都可以较精确、稳定的测量其内阻和短路电流。此方法解决了大型蓄电池需超大电流的检测技术难题。同时，可以避免经常大电流放电对蓄电池造成的损害，缩短正常的使用寿命。