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欧姆测量法——固定型铅酸蓄电池的检测新手段

作者:power   来源:网络   点击:    日期:2009-07-08    

欧姆测量法——固定型铅酸蓄电池的检测新手段

 

内容提要

测量铅酸蓄电池的欧姆电阻来检测蓄电池的技术状态,这种方法的运用越来越受到人们的欢迎。艾诺斯EnerSys公司根据内阻仪制造商的建议,一直致力于自己生产的验证蓄电池的商用测试设备,以及使用这些设备测得的数据。随着时间的推移和实践的检验,欧姆测量已经向人们证明它可以预期蓄电池的寿命。但是,必须指出的是,在实际应用中必须考虑到人工读数所带来的测量误差,片面地使用这种读数有时会导致错误的结论。

欧姆电阻的应用,通过国际电工协会的刊物,电池生产商以及测试设备制造商,得到了很好的证明。总而言之,这些组织推荐根据蓄电池全寿命期内阻值的变化趋势来预测蓄电池的寿命。越来越多的蓄电池用户向我们索取蓄电池内阻参考值,作为保修或者是更换的依据。

基于市场的经验和客户的需求,艾诺斯EnerSys完全支持这项技术的运用。针对消费者,产品,设备和一些具体的应用案例,我们制定了一定的流程和操作程序。这些操作程序可以作为更换蓄电池的准则。然而,艾诺斯出版的蓄电池使用说明书和IEEE蓄电池维护标准中所列举的常规的蓄电池维护规程将必须像以往一样予以重视。

内阻测试产生的背景

直到大约20年前,几乎所有的固定式铅酸蓄电池的容器都是由透明的材料做成的,而且都是电解质富液式设计。电池购买者和和他们的维护技工有非常实用的工具来对蓄电池的健康状况以及变化趋势进行衡量,检测和判断,如电解液比重的测试仪,电解质温度的测试仪,单节浮充电压测试仪,视觉观察电池内部结构变化。

20世纪80年代前中期,随着阀控式密封铅酸蓄电池的使用量越来越多,自从蓄电池的设计采用了不透明的容器和固定在凝胶或多孔隔膜的贫液式电解质系统,维护技术员不能再使用上述工具。他们能够使用的方法只有电压测试和定期放电测试。加上早期的蓄电池设计存在寿命较短、先天的缺陷,突发性失效等问题,人们开始寻求针对阀控式密封铅酸蓄电池的健康检测工具。

各种仪器制造公司注意到了这一难题,并开始设计/制造/销售这些测试设备,以确定蓄电池内部电阻,如阻抗,电导和内部阻力,用于评估阀控式密封铅酸蓄电池的健康状况。

此外,还必须注意到,追溯到20世纪90年代初EnerSys公司和那些先驱的蓄电池制造公司积累了大量的欧姆测量装置经验。

内阻的定义和测试方法

本文使用的信息、用语、释义中来自美国电气和电子工程师协会IEEE标准1187-1996

欧姆测量值提供有关电池或电池组单元电路的连续性的信息。

蓄电池内部电阻测量包含了若干因素,包括的内容不仅限于物理连接电阻,电解质的离子导电性,和发生在极板的表面的电化学过程。对于6伏以上的多格的电池。格与格之间的连接还会对测试值产生额外的影响。可以通过以下技术来测试蓄电池的内阻:

a)阻抗测量可通过给电池施加一个已知频率和振幅的电流信号,然后测量在单节或整组电池上的产生的交流压降。交流电压是由单节电池的正极和负极端子或者最小单元格测得。再用欧姆定律计算由此产生的阻抗,计算是由仪表自动完成的。

b)电导率可以通过给某节电池上施加一个的已知频率和振幅的电压,测试流过该电池上电流的变化值,电导便是在同一相位的交流分量和电压幅值的比值。

c)电阻测量是给蓄电池施加一个负载,然后测量流经电池上的各个阶段的电压和电流。欧姆值便是靠用电压的变化率除以电流的变化率得到。

内阻测试设备的可用性和标准化

至今为止,电池维护技术员有很多品牌的欧姆电阻测量设备可供选择,然而这对于整个产业来说并不是一个利好消息。不幸的是,随着市场的成长和竞争地加剧,并没有针对此测试方法形成一个标准或者法规。有些厂商使用高频,有些使用低频,而还有一些使用多频。由于这一原因,不仅同一节电池的阻抗和电导读数不相兼容,而且不同厂家设备的阻抗读数和电导读数分别都不相兼容。使用较短时间放电数值和使用电压和电流注入法测试数据也不相容。可以说,从标准化数据的角度上讲,该行业的状况是如此混乱。

内阻测量的测试实施

在确定蓄电池容量的百分比或安时数时,欧姆电阻测量到底在什么地方不能取代长时间的深度放电?尽管许多人之前已经做了大量了工作,也发表了很多相关主题的文章,但是目前还并没有结论性的依据,关于判断电池容量的方法也没有得到业界一致认可和肯定。

使用欧姆读数的正确方法应该是,把它作为一种检测蓄电池一段时间的变化趋势的工具,用它来判断在浮充状态下的蓄电池组中落后蓄电池和可能存在故障的隐患。

当电池组安装并趋于稳定之后,我们采集一组初始的欧姆电阻读数。因为这个阶段,在电荷的状态,铅的纯度,化合效率,凝胶稳定等状态会发生很大的变化。相对于初始读数来说,50%左右的变化是经常发生的。如果有些电池超过这个数据,那么很有必要对电池组进行均衡性充电,可能的话,再做一次容量测试。

当这组蓄电池运行了6个月之后,之前提到的区分将会趋于平缓。这时候应该记录另一组欧姆读数,把它们作为的基准读数。从这时开始,单节电池的读数应该在整组平均值30%的以内。

这些个别电池基准读数将作为今后趋势分析的基准。在此后的使用中,每个季度测试一次欧姆读数、记录、并与基准读数进行比较。如果一节电池欧姆读数变化应超过基准值的50%,需要对其进一步评估,以确定原因。单节电池核对性放电是这种评估的一部分。

内阻测量的应用效果

如前所述,欧姆读数不能,也不应该用来预测电池或电池组的实际容量。

电池趋势模式中的欧姆读数是用来查找落后电池的一个非常有效的工具。由于电解质比重变化,电解液干涸,电池槽//密封处/排气阀泄漏,凝胶恶化,隔离层恶化/短路,边缘短路,或极板网栅腐蚀。这些类型的电池失效形式经过时间的积累慢慢地将会使欧姆读数逐渐产生偏离,就像上文提到的这些欧姆读数会超过临界值50%。

有一种蓄电池失效形式是用欧姆读数趋势分析不能及时地检测出来。这种情况下欧姆测读数是正常的,但这种电池会快速地或者突然失效,这种失效形式就是负极板腐蚀。

在很多的文献资料当中都有负极板腐蚀产生的原因,预防方法方面的介绍。在这里我们将不重复这些细节。下面对这个问题做简短的说明,在铅酸蓄电池中,某个特定的环境中,负极/极板/倒流排的侵入性腐蚀速度会非常快。通常情况下,汇流排有足够的厚度和横截面使得内阻值正常,当这种状况持续到一定极限,电池腐蚀会进行很快直到开路。这种开路失效是一种非常严重的情况,它可以使整个蓄电池组的电力将会立即消失,用户将会完全失去后备的蓄电池。在正常的维护规范中,欧姆读数会在一个月或者更长时间的间隔内测量一次,这样的话一般来说它就不具有预测负极板失效的作用。

蓄电池厂家提供的欧姆读数

经越来越的客户请求或者要求蓄电池厂家提供欧姆参考值。但厂家提供的数据往往是有问题的。它不精确的,甚至有时候误导客户。

蓄电池制造厂家采集的欧姆数据会有两大用处:

1)生产中的落后电池鉴别——这是一种合理而且有用的技术,它能够帮助电池生产商筛选出问题电池。然而,如果电池生产商将放电测试作为电池生产工艺的一部分的话,那么测试欧姆数据就没必要了,因为放电测试便会鉴别出落后电池。如果电池生产过程中没有进行放电测试的话,那么发货前的欧姆测量将会很重要。这些读数是电池在开路的状态下测得,一般来说,偏移均值50%的电池应该进行进一步的放电测试评估。

2)作为客户使用基准读数。工厂提供的欧姆数据的有用性是很值得怀疑的,可以说对电池用户没有太大意义。为使测试数据有价值,电池数据的采集必须在浮充状态下进行。因为大多数的生产商在生产过程中,并没有使电池在浮充状态下持续足够长的时间,长时间的浮充是蓄电池性能稳定必须经历的一个过程。这有在这个阶段结束后,测得的数据才有意义。

另外如果蓄电池制造厂给出的内阻值是使用生产商ABC内阻仪测得的,而客户的维护技工所使用的内阻值却来自XYZ生产商的内阻仪,那么生产商给出的数据对于客户来说就没有意义。由于业界可得到许多种测试仪器,因此蓄电池制造商使用每种仪器都测一遍内阻是不现实的。如果蓄电池厂给出的是阻抗读数,而蓄电池用户使用的是电导和内阻读数,情况会更加糟糕。

甚至在某些极端的情况下,尽管蓄电池厂和客户都使用的是由同一设备所测量的蓄电池内阻读数,蓄电池厂的内阻读数有时候却与用户测得的内阻值有很大的差异,不能作为判断电池长期趋势的基准值,这是因为这些电池在装运,储存和前几个月的浮充使用中内阻值会发生变化。

富液式电池的欧姆读数

上面的多数段落描述的事实都是针对阀控式密封式铅酸蓄电池,但是基理也同样适用于固定型富液式电池。正如背景段落中描述的那样除了内阻仪以外,还有好多可用的工具来评估富液式电池的健康状态。而且前面所讨论的局限性和有效性也基本相同。唯一的例外是关于负极部分的腐蚀的讨论,因为在富液电池中电解液的高度保持在极板上方,负极部分的腐蚀是不会发生。

结论

1 欧姆测量不能作为放电测试的替代方法,而且也不能用来预测的容量绝对值

2 在现场维护时内阻仪能够作为判断蓄电池运行一段时间内变化趋势的工具,用来检测出落后电池,但有时需要对落后蓄电池进一步评估来确定落后的真实性。

3 在现场维护中,产商工厂的给出欧姆测量值会误导客户,用它作为基准值判断蓄电池的变化趋势意义不大。

4 在生产过程中没有进行放电核容测试的蓄电池产商可以使用欧姆测量读数检验落后电池。

5通过观察电解液的沉淀物的数量和颜色是富液式电池测试的首选,除此以外,还有其他可用来检测富液式电池的工具,包括电解液比重,液面和温度的测试仪器。对于富液式电池来说,欧姆测量还是有些用的,故而可作为测量时的辅助性工具。

6 为了确保测试结果的精确和一致性,测量欧姆读数应该使用同一种的测试设备,不同的测试设备测得数值没有可比性,而且在许多情况下,为了恢复将来的趋势分析新的基准值必须重新测试内阻值。

7 由于欧姆读数很大程度上取决于测试点和测试时测试电缆的相对位置,每次测试时要保持测试条件前后一致。

8  EnerSys可按客户所要求的测试条件提供内阻参考值。

 

美国ENERSYS电池有限公司

深圳市派司德科技有限公司编译

2003年发表,2009年编译


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