歐姆測量法――固定型鉛酸蓄電池新的檢測手段

內(nèi)容提要

測量鉛酸蓄電池的歐姆電阻來檢測蓄電池的技術(shù)狀態(tài)，這種方法的運(yùn)用越來越受到人們的歡迎。艾諾斯EnerSys公司根據(jù)內(nèi)阻儀制造商的建議，一直致力于自己生產(chǎn)的驗(yàn)證蓄電池的商用測試設(shè)備，以及使用這些設(shè)備測得的數(shù)據(jù)。隨著時(shí)間的推移和實(shí)踐的檢驗(yàn)，歐姆測量已經(jīng)向人們證明它可以預(yù)期蓄電池的壽命。但是，必須指出的是，在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮到人工讀數(shù)所帶來的測量誤差，片面地使用這種讀數(shù)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。

歐姆電阻的應(yīng)用，通過國際電工協(xié)會(huì)的刊物，電池生產(chǎn)商以及測試設(shè)備制造商，得到了很好的證明?？偠灾@些組織推薦根據(jù)蓄電池全壽命期內(nèi)阻值的變化趨勢(shì)來預(yù)測蓄電池的壽命。越來越多的蓄電池用戶向我們索取蓄電池內(nèi)阻參考值，作為保修或者是更換的依據(jù)。

基于市場的經(jīng)驗(yàn)和客戶的需求，艾諾斯EnerSys完全支持這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用。針對(duì)消費(fèi)者，產(chǎn)品，設(shè)備和一些具體的應(yīng)用案例，我們制定了一定的流程和操作程序。這些操作程序可以作為更換蓄電池的準(zhǔn)則。然而，艾諾斯出版的蓄電池使用說明書和IEEE蓄電池維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中所列舉的常規(guī)的蓄電池維護(hù)規(guī)程將必須像以往一樣予以重視。

內(nèi)阻測試產(chǎn)生的背景

直到大約20年前，幾乎所有的固定式鉛酸蓄電池的容器都是由透明的材料做成的，而且都是電解質(zhì)富液式設(shè)計(jì)。電池購買者和和他們的維護(hù)技工有非常實(shí)用的工具來對(duì)蓄電池的健康狀況以及變化趨勢(shì)進(jìn)行衡量，檢測和判斷，如電解液比重的測試儀，電解質(zhì)溫度的測試儀，單節(jié)浮充電壓測試儀，視覺觀察電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

20世紀(jì)80年代前中期，隨著閥控式密封鉛酸蓄電池的使用量越來越多，自從蓄電池的設(shè)計(jì)采用了不透明的容器和固定在凝膠或多孔隔膜的貧液式電解質(zhì)系統(tǒng)，維護(hù)技術(shù)員不能再使用上述工具。他們能夠使用的方法只有電壓測試和定期放電測試。加上早期的蓄電池設(shè)計(jì)存在壽命較短、先天的缺陷，突發(fā)性失效等問題，人們開始尋求針對(duì)閥控式密封鉛酸蓄電池的健康檢測工具。

各種儀器制造公司注意到了這一難題，并開始設(shè)計(jì)/制造/銷售這些測試設(shè)備，以確定蓄電池內(nèi)部電阻，如阻抗，電導(dǎo)和內(nèi)部阻力，用于評(píng)估閥控式密封鉛酸蓄電池的健康狀況。

此外，還必須注意到，追溯到20世紀(jì)90年代初EnerSys公司和那些先驅(qū)的蓄電池制造公司積累了大量的歐姆測量裝置經(jīng)驗(yàn)。

內(nèi)阻的定義和測試方法

本文使用的信息、用語、釋義中來自美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE標(biāo)準(zhǔn)1187-1996。

歐姆測量值提供有關(guān)電池或電池組單元電路的連續(xù)性的信息。

蓄電池內(nèi)部電阻測量包含了若干因素，包括的內(nèi)容不僅限于物理連接電阻，電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性，和發(fā)生在極板的表面的電化學(xué)過程。對(duì)于6伏以上的多格的電池。格與格之間的連接還會(huì)對(duì)測試值產(chǎn)生額外的影響?？梢酝ㄟ^以下技術(shù)來測試蓄電池的內(nèi)阻：

a）阻抗測量可通過給電池施加一個(gè)已知頻率和振幅的電流信號(hào)，然后測量在單節(jié)或整組電池上的產(chǎn)生的交流壓降。交流電壓是由單節(jié)電池的正極和負(fù)極端子或者最小單元格測得。再用歐姆定律計(jì)算由此產(chǎn)生的阻抗，計(jì)算是由儀表自動(dòng)完成的。

b）電導(dǎo)率可以通過給某節(jié)電池上施加一個(gè)的已知頻率和振幅的電壓，測試流過該電池上電流的變化值，電導(dǎo)便是在同一相位的交流分量和電壓幅值的比值。

c）電阻測量是給蓄電池施加一個(gè)負(fù)載，然后測量流經(jīng)電池上的各個(gè)階段的電壓和電流。歐姆值便是靠用電壓的變化率除以電流的變化率得到。

內(nèi)阻測試設(shè)備的可用性和標(biāo)準(zhǔn)化

至今為止，電池維護(hù)技術(shù)員有很多品牌的歐姆電阻測量設(shè)備可供選擇，然而這對(duì)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)來說并不是一個(gè)利好消息。不幸的是，隨著市場的成長和競爭地加劇，并沒有針對(duì)此測試方法形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或者法規(guī)。有些廠商使用高頻，有些使用低頻，而還有一些使用多頻。由于這一原因，不僅同一節(jié)電池的阻抗和電導(dǎo)讀數(shù)不相兼容，而且不同廠家設(shè)備的阻抗讀數(shù)和電導(dǎo)讀數(shù)分別都不相兼容。使用較短時(shí)間放電數(shù)值和使用電壓和電流注入法測試數(shù)據(jù)也不相容?？梢哉f，從標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的角度上講，該行業(yè)的狀況是如此混亂。

內(nèi)阻測量的測試實(shí)施

在確定蓄電池容量的百分比或安時(shí)數(shù)時(shí)，歐姆電阻測量到底在什么地方不能取代長時(shí)間的深度放電？盡管許多人之前已經(jīng)做了大量了工作，也發(fā)表了很多相關(guān)主題的文章，但是目前還并沒有結(jié)論性的依據(jù)，關(guān)于判斷電池容量的方法也沒有得到業(yè)界一致認(rèn)可和肯定。

使用歐姆讀數(shù)的正確方法應(yīng)該是，把它作為一種檢測蓄電池一段時(shí)間的變化趨勢(shì)的工具，用它來判斷在浮充狀態(tài)下的蓄電池組中落后蓄電池和可能存在故障的隱患。

當(dāng)電池組安裝并趨于穩(wěn)定之后，我們采集一組初始的歐姆電阻讀數(shù)。因?yàn)檫@個(gè)階段，在電荷的狀態(tài)，鉛的純度，化合效率，凝膠穩(wěn)定等狀態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。相對(duì)于初始讀數(shù)來說，50％左右的變化是經(jīng)常發(fā)生的。如果有些電池超過這個(gè)數(shù)據(jù)，那么很有必要對(duì)電池組進(jìn)行均衡性充電，可能的話，再做一次容量測試。

當(dāng)這組蓄電池運(yùn)行了6個(gè)月之后，之前提到的區(qū)分將會(huì)趨于平緩。這時(shí)候應(yīng)該記錄另一組歐姆讀數(shù)，把它們作為的基準(zhǔn)讀數(shù)。從這時(shí)開始，單節(jié)電池的讀數(shù)應(yīng)該在整組平均值30％的以內(nèi)。

這些個(gè)別電池基準(zhǔn)讀數(shù)將作為今后趨勢(shì)分析的基準(zhǔn)。在此后的使用中，每個(gè)季度測試一次歐姆讀數(shù)、記錄、并與基準(zhǔn)讀數(shù)進(jìn)行比較。如果一節(jié)電池歐姆讀數(shù)變化應(yīng)超過基準(zhǔn)值的50％，需要對(duì)其進(jìn)一步評(píng)估，以確定原因。單節(jié)電池核對(duì)性放電是這種評(píng)估的一部分。

內(nèi)阻測量的應(yīng)用效果

如前所述，歐姆讀數(shù)不能，也不應(yīng)該用來預(yù)測電池或電池組的實(shí)際容量。

電池趨勢(shì)模式中的歐姆讀數(shù)是用來查找落后電池的一個(gè)非常有效的工具。由于電解質(zhì)比重變化，電解液干涸，電池槽/蓋/密封處/排氣閥泄漏，凝膠惡化，隔離層惡化/短路，邊緣短路，或極板網(wǎng)柵腐蝕。這些類型的電池失效形式經(jīng)過時(shí)間的積累慢慢地將會(huì)使歐姆讀數(shù)逐漸產(chǎn)生偏離，就像上文提到的這些歐姆讀數(shù)會(huì)超過臨界值50％。

有一種蓄電池失效形式是用歐姆讀數(shù)趨勢(shì)分析不能及時(shí)地檢測出來。這種情況下歐姆測讀數(shù)是正常的，但這種電池會(huì)快速地或者突然失效，這種失效形式就是負(fù)極板腐蝕。

在很多的文獻(xiàn)資料當(dāng)中都有負(fù)極板腐蝕產(chǎn)生的原因，預(yù)防方法方面的介紹。在這里我們將不重復(fù)這些細(xì)節(jié)。下面對(duì)這個(gè)問題做簡短的說明，在鉛酸蓄電池中，某個(gè)特定的環(huán)境中，負(fù)極/極板/倒流排的侵入性腐蝕速度會(huì)非?？?。通常情況下，匯流排有足夠的厚度和橫截面使得內(nèi)阻值正常，當(dāng)這種狀況持續(xù)到一定極限，電池腐蝕會(huì)進(jìn)行很快直到開路。這種開路失效是一種非常嚴(yán)重的情況，它可以使整個(gè)蓄電池組的電力將會(huì)立即消失，用戶將會(huì)完全失去后備的蓄電池。在正常的維護(hù)規(guī)范中，歐姆讀數(shù)會(huì)在一個(gè)月或者更長時(shí)間的間隔內(nèi)測量一次，這樣的話一般來說它就不具有預(yù)測負(fù)極板失效的作用。

蓄電池廠家提供的歐姆讀數(shù)

經(jīng)越來越的客戶請(qǐng)求或者要求蓄電池廠家提供歐姆參考值。但廠家提供的數(shù)據(jù)往往是有問題的。它不精確的，甚至有時(shí)候誤導(dǎo)客戶。

蓄電池制造廠家采集的歐姆數(shù)據(jù)會(huì)有兩大用處：

（1）生產(chǎn)中的落后電池鑒別——這是一種合理而且有用的技術(shù)，它能夠幫助電池生產(chǎn)商篩選出問題電池。然而，如果電池生產(chǎn)商將放電測試作為電池生產(chǎn)工藝的一部分的話，那么測試歐姆數(shù)據(jù)就沒必要了，因?yàn)榉烹姕y試便會(huì)鑒別出落后電池。如果電池生產(chǎn)過程中沒有進(jìn)行放電測試的話，那么發(fā)貨前的歐姆測量將會(huì)很重要。這些讀數(shù)是電池在開路的狀態(tài)下測得，一般來說，偏移均值50％的電池應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步的放電測試評(píng)估。

（2）作為客戶使用基準(zhǔn)讀數(shù)。工廠提供的歐姆數(shù)據(jù)的有用性是很值得懷疑的，可以說對(duì)電池用戶沒有太大意義。為使測試數(shù)據(jù)有價(jià)值，電池?cái)?shù)據(jù)的采集必須在浮充狀態(tài)下進(jìn)行。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的生產(chǎn)商在生產(chǎn)過程中，并沒有使電池在浮充狀態(tài)下持續(xù)足夠長的時(shí)間，長時(shí)間的浮充是蓄電池性能穩(wěn)定必須經(jīng)歷的一個(gè)過程。這有在這個(gè)階段結(jié)束后，測得的數(shù)據(jù)才有意義。

另外如果蓄電池制造廠給出的內(nèi)阻值是使用生產(chǎn)商ABC內(nèi)阻儀測得的，而客戶的維護(hù)技工所使用的內(nèi)阻值卻來自XYZ生產(chǎn)商的內(nèi)阻儀，那么生產(chǎn)商給出的數(shù)據(jù)對(duì)于客戶來說就沒有意義。由于業(yè)界可得到許多種測試儀器，因此蓄電池制造商使用每種儀器都測一遍內(nèi)阻是不現(xiàn)實(shí)的。如果蓄電池廠給出的是阻抗讀數(shù)，而蓄電池用戶使用的是電導(dǎo)和內(nèi)阻讀數(shù)，情況會(huì)更加糟糕。

甚至在某些極端的情況下，盡管蓄電池廠和客戶都使用的是由同一設(shè)備所測量的蓄電池內(nèi)阻讀數(shù)，蓄電池廠的內(nèi)阻讀數(shù)有時(shí)候卻與用戶測得的內(nèi)阻值有很大的差異，不能作為判斷電池長期趨勢(shì)的基準(zhǔn)值，這是因?yàn)檫@些電池在裝運(yùn)，儲(chǔ)存和前幾個(gè)月的浮充使用中內(nèi)阻值會(huì)發(fā)生變化。

富液式電池的歐姆讀數(shù)

上面的多數(shù)段落描述的事實(shí)都是針對(duì)閥控式密封式鉛酸蓄電池，但是基理也同樣適用于固定型富液式電池。正如背景段落中描述的那樣除了內(nèi)阻儀以外，還有好多可用的工具來評(píng)估富液式電池的健康狀態(tài)。而且前面所討論的局限性和有效性也基本相同。唯一的例外是關(guān)于負(fù)極部分的腐蝕的討論，因?yàn)樵诟灰弘姵刂须娊庖旱母叨缺３衷跇O板上方，負(fù)極部分的腐蝕是不會(huì)發(fā)生。

結(jié)論
1 歐姆測量不能作為放電測試的替代方法，而且也不能用來預(yù)測的容量絕對(duì)值

2 在現(xiàn)場維護(hù)時(shí)內(nèi)阻儀能夠作為判斷蓄電池運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)變化趨勢(shì)的工具，用來檢測出落后電池，但有時(shí)需要對(duì)落后蓄電池進(jìn)一步評(píng)估來確定落后的真實(shí)性。

3 在現(xiàn)場維護(hù)中，產(chǎn)商工廠的給出歐姆測量值會(huì)誤導(dǎo)客戶，用它作為基準(zhǔn)值判斷蓄電池的變化趨勢(shì)意義不大。

4 在生產(chǎn)過程中沒有進(jìn)行放電核容測試的蓄電池產(chǎn)商可以使用歐姆測量讀數(shù)檢驗(yàn)落后電池。

5通過觀察電解液的沉淀物的數(shù)量和顏色是富液式電池測試的首選，除此以外，還有其他可用來檢測富液式電池的工具，包括電解液比重，液面和溫度的測試儀器。對(duì)于富液式電池來說，歐姆測量還是有些用的，故而可作為測量時(shí)的輔助性工具。

6 為了確保測試結(jié)果的精確和一致性，測量歐姆讀數(shù)應(yīng)該使用同一種的測試設(shè)備，不同的測試設(shè)備測得數(shù)值沒有可比性，而且在許多情況下，為了恢復(fù)將來的趨勢(shì)分析新的基準(zhǔn)值必須重新測試內(nèi)阻值。

7 由于歐姆讀數(shù)很大程度上取決于測試點(diǎn)和測試時(shí)測試電纜的相對(duì)位置，每次測試時(shí)要保持測試條件前后一致。

8 EnerSys可按客戶所要求的測試條件提供內(nèi)阻參考值。

美國ENERSYS電池有限公司

深圳市派司德科技有限公司編譯

于2003年發(fā)表，2009年編譯