直流放电法有以下几个主要的缺点:需要对电池进行大电流放电;不能测量蓄电池的较化内阻即电化学内阻;与蓄电池连续放电容量相关性差。
但是,直流放电法由于采用了瞬时大电流放电的方式,对于在实际使用中需要使用电池瞬时大电流放电的场合(如发电机启动电池),这种方式还是具有一定使用意义的。
交流注入法采用向蓄电池注入一定频率的交流信号实现阻抗的测试。交流法测试原理图如图3所示,将一定幅度的交流电流信号注入到蓄电池中,同时捕捉蓄电池的电压反馈。
交流法测试的蓄电池内阻,能在很大程度上体现出蓄电池的电化学特性,其测试方式的科学性较强。同时,由于采用交流注入的方式,会对电池系统中的纹波造成一定影响。对于直流系统特别是对于纹波要求较高的场合,直接采用交流法会对电源质量造成一定的影响。
脉动直流法,是介于交流法和直流法之间的一种方式。该方法是目前国际上对于铅酸蓄电池内阻的主流测试方式。脉动直流法采用的电流激励信号为直流脉动信号,这样既克服了交流激励中的纹波问题,同时也*使用像直流法那样的大电流进行放电。采用脉动直流对蓄电池进行放电后,通过交流监测回路对蓄电池端电压的反馈进行测量。此时,测量的是蓄电池端电压对于脉动激励信号的交流反馈。或者说,对于蓄电池端电压中负荷激励频率的反馈信号进行提取,从而获得蓄电池的交流阻抗。脉动直流法,在技术实现上相对于前两种方式难度较大。脉动直流法测试工作原理如图4所示。
关于蓄电池的阻抗和电导的区别一直以来有一定的争论。国际电工学会对于蓄电池的阻抗和电导的测试方法进行了如下的定义:将已知频率的恒定电流注入到蓄电池,通过对蓄电池端电压反馈进行测试,获得的数据为蓄电池的阻抗;将已知频率和振幅的交流电压加到蓄电池的两端,测量所产生的电流,获得的数据为蓄电池的电导。即通过施加恒流信号,测试蓄电池电压反馈的方法为阻抗测试法;通过施加恒压信号,测试蓄电池电流反馈的方法为电导测试法。经过对于目前世界市场主流的蓄电池测试设备分析和比较,以MIDTRONIC、BTECH、GRANDPOWER等为代表的主流蓄电池监控设备生产厂家均采用恒流方式进行蓄电池的阻抗测试。也就是说,市场上主流的蓄电池阻抗测试设备,不管显示的是蓄电池的阻抗或是电导,实际上都是基于国际电工学会定义的蓄电池阻抗测试方法实现的。因此,目前对于阻抗/电导的提法,主要针对于采用直流大电流放电法测量蓄电池内阻而提出的。蓄电池的阻抗/电导测试的实质是针对于蓄电池在一定频率下复频阻抗的测量,除了应体现蓄电池内阻的欧姆内阻之外,还要综合考虑蓄电池的较化内阻等复频阻抗。在很多研究方法中[3],采用图5作为电池阻抗分析的等效电路。从等效电路,能够看出对于蓄电池进行复频阻抗综合分析而不是单纯的内阻分析的必要性。
阻抗测试技术虽然被大多数人认可,但是在产品化的过程中也存在一些不足。通过对于目前市场中的蓄电池阻抗的监测设备的综合分析。我们也发现了一些问题:
①各厂家设备测量出的参数不相同。由于各厂家采用的信号频率存在差异,采用不同厂家的设备测量相同状态下的蓄电池时,显示的内阻值不相同,甚至存在较大的差异;
②阻抗数据非常抽象,需要使用者具有一定的专业知识才能进行判断。很少有厂家能够提供严谨、完整的判断标准;
③部分厂家的测试结果与蓄电池实际容量劣化状态的相关性差。由于缺乏有效的界定标准,很难判断某些设备阻抗数据的真实性。
针对以上问题,将在线阻抗测试与蓄电池运行数据结合在一起就可以有效地实现供电系统中备用储能单元的故障预测,从而实现提高供电系统可用性。
①将线阻抗测试与蓄电池运行数据结合作为故障蓄电池的快速检测方法,有效的测试设备应该能够准确检知蓄电池组中的严重劣化蓄电池;
②当蓄电池处于早期劣化状态时,其阻抗的变化率将大大提高。通过连续、有效地监控能够发现蓄电池组中的早期劣化蓄电池;
③蓄电池的阻抗和容量的关系是离散相关的。有效的阻抗测试设备提供的阻抗数据,对于早期劣化蓄电池识别的准确性应该能达到80%以上;
对于严重劣化蓄电池或故障蓄电池应达到95%以上;
④线阻抗测试与蓄电池运行数据结合能提出一套完整的蓄电池劣化判断标准,而不是简单提供阻抗数值。
2蓄电池在线阻抗测试技术的价值
电池单体阻抗/电压在线测试系统的经济性,是除安全性之外运维工作的*二项主要要求。通过有效的蓄电池阻抗监测的引入,能够大大降低蓄电池维护的工作量与成本,也是提高供电系统可用性的有效手段之一。
(1)电池单体内阻监测对运维成本的节省在部分基站的测试中,初步测算,对蓄电池组采用在线内阻/电压检测系统后,可减少维护人工、物料成本60%[4]。
浙江移动的研究[3]表明,电池电导在线监测系统,能够帮助维护人员快速发现故障电池,全面、及时掌控电池组的实际运行状况,从而彻底改变传统的电池维护测试模式,有效提高维护管理效率60%以上。
(2)电池单体内阻监测对电池更换的成本节省在传统的电池运维方法中,定期按规范对电池组进行放电以核对容量。当放电容量小于设计容量的80%时候,通常采取电池组整组更换的方法。而电池组放电容量下降主要的罪魁祸首是少数的弱化、落后电池,而整组电池的报废与更换,无疑浪费了“好”电池,增加了用户的成本投入,导致全社会的浪费,也与当前节能减排工作背道而驰。有运营商对电池电导检测[3],可实现相对准确地掌控电池组中每个单体的容量范围,避免电池的盲目报废,预计可使电池报废数量降低30%以上,节能减排效益明显。
(3)电池单体内阻监测系统的**ROI
管理者通常关注的是资本回报或**ROI(Returnofinvest)。
早期的电池单体内阻监测系统昂贵,今天仍有不少国外品牌价格高昂,他们通常一套电池单体内阻监控系统,其价格远比被监测的电池组贵,所以**ROI通常为5～8年(按简单回本期计算)[4],其经济性是比较差的。
新的电池单体内阻监测系统成本大幅下降,当然不同厂家的不同系统的**有一定差异,但是不少性能优异的厂家,其ROI已经降到1.5～3年(按简单回本期计算),部分系统已经降低到1.5～2年回报,已完全具备大规模应用的条件。
