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阀控式铅酸(VRLA)蓄电池内阻分析

来源:《数智元》杂志 作者:卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司 陈苏祥 更新时间:2024/11/6 7:57:43

摘要:本文对VRLA电池的内阻从测试方法、温度对内阻的影响、剩余容量与内阻关系、寿命与内阻关系等几方面进行了全面的测试分析。

 

根据电池的某些性能参数无需放电就可预知电池的容量或荷电状态甚至寿命,是电池行业和电化学工作者们长期以来关注的问题,为此,研究电池内阻的测试方法及各种影响因素对内阻的影响或与内阻间的关系就显得尤为重要。
  
  一、内阻的不同测试方法
  
  VRLA电池内阻的测试方法有许多种,可以通过仪器仪表测量,也可以通过放电法来测量。
  
  1.放电法测量内阻
  
  VRLA电池相关的国际标准IEC60896-21/22-2004、国家标准GB/T19638.1-2014或行业标准YD/T799-2010中的内阻值都是通过放电法来测量的,其测量方法如下:
  
  经容量试验达到额定容量值的蓄电池完全充电后,在20℃-25℃的环境中,通过两点测定法测定U=f(I)放电特性曲线。
  
  1)第一点(Ua,Ia):
  
  以电流Ia=4I10(A)放电20s,测量并记录蓄电池的端电压Ua值,间断5min。不经再充电确定第二点。
  
  2)第二点(Ub,Ib):
  
  以电流I=20I10(A)放电5s,测量并记录蓄电池电压Ub值。
  
  注:端电压应在每只蓄电池的端子处测量,确定无外部电压降干扰试验结果。
  
  用测定的两点电压值(Ua、Ub)和电流值(Ia、Ib)绘出U=f(I)特性曲线(图1),将特性曲线U=f(I)线性外推,当U=0时示出短路电流(Ise,单位为A),并通过计算得出内电阻(Ri,单位为Ω)。
  
  YD/T799-2010标准中第一点放电电流为5I10(A),IEC标准中也明确指出两点放电法所用的电流和放电时间如果不一样,计算获得的短路电流和内阻值也不一样。
  
  2.内阻仪测量内阻
  
  市面上有许多厂家及型号的内阻仪,通过探针或夹子与蓄电池的正负极端子接触就可以快速方便地测得蓄电池的内阻和电压,是蓄电池用户最常用的测量蓄电池内阻的方式,但是不同厂家的内阻仪对同一只电池测得的内阻值会有所不同。常用的内阻仪是日本日置(HIOKI)各系列产品,有台式的和便携式的。
  
  3.电导仪测量电导
  
  电导即电阻的倒数其国际单位为Siemens(西门子)美国单位为Ω-1(姆欧)。电池电导测试原理如图2所示,在电池两端加上一个已知频率和振幅的交流电压信号,测量出与交流电压同相位的交流电流值,其交流电流分量与交流电压的比值即为电池的电导。因此,通过测量电池的电导值即可近似计算电池的内阻(电池内阻即为电导的倒数值)。
  
  市面上常用的电导仪为美国密特电子(MIDTRONICS)各系列产品。
  
  表1是同一电池用不同方法测量的内阻数据:
  
  从表1中可以看出不同的测量方法,其获得的内阻绝对值不一样,故在分析电池内阻均匀性及蓄电池在使用期间内阻的变化趋势时必须使用同种测量方法获得的数据进行分析。
  
  二、VRLA电池内阻与温度的关系
  
  将2只同容量不同结构的测试合格的2V300Ah电池放入高低温箱中在不同设置温度下至少静置24小时,使其达到设定的温度后,测量电池的内阻,结果如图3所示。
  
  从图3中可看出电池温度越高,内阻越低,电池温度在0度以下时内阻变化更大。
  
  三、电池的剩余容量跟电池内阻的关系
  
  取测试合格且充足电的2只2V 300Ah电池按10小时率电流进行放电,在放电的不同时间段测量电池内阻,获得结果如图4所示。
  
  从图4中可以看出在电池荷电50%以上时,电池内阻变化不大,只有当电池荷电在50%以下时,其内阻变化才会加剧。
  
  四、电池寿命与内阻关系
  
  VRLA电池寿命测试按YD/T799-2010标准有两种寿命测试方法,分别为过充电寿命和高温加速浮充寿命,我们按两种方法分别对12V90Ah进行寿命测试,并在每次循环周期结束后容量放电前测试电池内阻。
  
  1.过充电寿命
  
  按以下步骤进行试验:
  
  1)容量试验达到额定值的蓄电池,经完全充电后,在25℃士5℃环境中,以0.02C10恒定电流方式进行连续充电30d;
  
  2)每30d的连续恒定电流充电后,测量电池内阻,进行一次1h率容量试验,然后再以0.02C10恒定电流方式进行连续充电30d;
  
  3)重复充、放电,直至蓄电池容量低于1h率额定容量的80%并再次试验,确认仍低于80%时结束试验。
  
  测试结果如图5所示。
  
  从图5中可看出当电池内阻增加50%以后,电池趋于恶化,容量接近80%容量,内阻增加100%以上时,电池严重恶化,容量低于80%并失效。
  
  2.高温加速浮充寿命
  
  按以下步骤进行试验:
  
  1)容量试验达到额定值的蓄电池,经完全充电后,在60℃±2℃环境中,以Uflo电压连续充电30d;
  
  2)将蓄电池取出,放置24h~36h,在25℃±5℃环境中先测量电池内阻,再进行一次3h率容量试验,作为一个试验循环,折合寿命1年;
  
  3)重复a)、b),直至蓄电池容量低于3h率额定容量的80%并再次试验,确认仍低于80%时结束试验。
  
  从图6中可看出当电池内阻增加20%以后,电池趋于恶化,容量接近80%容量,内阻增加50%以上时,电池严重恶化,容量低于80%并失效。
  
  五、总结
  
  本文通过对用不同的测试方法获得同一电池的内阻值及对不同温度、剩余容量和寿命不同阶段测得的内阻进行分析,得出以下结论:
  
  1)不同测量方法测得的内阻值不一样,故分析数据需要使用同样的测量方法或仪表;
  
  2)电池温度越高,电池内阻越低,0度以下的低温对电池内阻影响更大;
  
  3)容量在荷电态50%以上时内阻变化不明显,故不能从内阻大小简单判断电池剩余容量,特别是在电池荷电50%以上时;
  
  4)电池寿命初期内阻变化不大,若内阻变大趋势明显,说明电池已经严重劣化。日置内阻仪建议内阻比初始平均值增加50%时进行告警,增加100%以上时说明电池已失效,需要更换。
  
  作者简介
  
  陈苏祥,卧龙电气集团浙江灯塔电源有限公司高级工程师,毕业于天津大学电化学专业,1996年开始从事铅酸蓄电池技术研究与产品开发,具有近30年铅酸蓄电池行业工作经验。
  
  编辑:Harris
  
  

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