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蓄电池的电导测试技术及相关比较
2018/11/19 17:31:58

蓄电池的电导测试技术及相关比较

 

对于后备电源的蓄电池检测,除了传统的放电方式之外,一种比较快速、安全、可靠的测试方法为欧姆测试法,该方法包含电导测试法、电阻测试法和阻抗测试法,在IEEE 1188-1996的文件《后备用的阀控密闭铅酸蓄电池(VRLA)的维护、测试和更换的推荐办法》中,分别定义了三种测试方法,目前的市场上的欧姆测试仪表也基本采用的是这三种方法。 

以下我们分别对这三种测试方法从理论和实践上进行一定的比较:

一、 IEEE 1188-1996的定义

1. 电导测试法:是将已知频率和振幅的交流电压加到电池的两端,然后测量所产生的电流。交流电导值就是与交流电压同相的交流电流分量与交流电压的比值

2. 阻抗测试法:向电池施加已知频率和振幅的交流电,然后测量所产生的电压降。通过欧姆定律计算出相应的阻抗。

3. 电阻测试法:向电池进行短时间的直流放电,然后获得电压和电流的变化情况,根据欧姆定律,将电压变化值除以电流变化值,可计算出直流电阻值。

比较:

IEEE定义的原理,我们能够看到,电导和阻抗是采用的交流测试信号,而电阻测试法采用的是直流电信号,我们在接下来的分析中将进一步将三种测试方法的主要产品情况进行比较。

 

二、 三种测试方法的代表产品特点:

1. 电导测试法:

代表产品为美国Midtronics公司的电导系列产品,由于该公司的大量技术申请了专利保护,市场上实际真正采用电导技术原理来制造的欧姆仪表基本只有该公司一家。

测试频率:低于100Hz

测试信号大小:1A, 5A  (根据不同的产品)

2. 阻抗测试法:

比较有代表性的产品为日本HIOKI,其他的国产品牌也多采用该方法,由于行业内对电池内阻的概念比较熟悉,所以这类仪表通常称测的是内阻,但实际是采用的阻抗测试法,其测试的值与按照IEEE规定测试的蓄电池的内阻值虽然都是欧姆作单位,但数值并不相同。 

 

测试频率:1K Hz,或数百Hz

测试信号大小:1A 或 数A,总体测试信号不大

 

3. 电阻测试法:

比较有代表性的产品是原美国Alber,目前国内也有类似产品,与阻抗测试法相同,这类仪表通常也称测的是内阻,但实际是采用的电阻测试法,其测试的值与按照IEEE规定测试的蓄电池的内阻值并不相同。

测试频率:直流放电

测试信号大小:30A ~ 70A,总体测试信号较大

 

三、 三种产品在使用当中的优劣比较

1. 抗干扰性  

由于蓄电池在测试当中仍处于浮充状态,难免存在干扰信号,特别在UPS系统中的电池,其纹波干扰信号非常明显;另一方面,蓄电池的电导或内阻是非常小的值,如果不小心处理,任何种类的干扰都将使测试的电导或内阻值发生重大偏离,以致失去帮助我们了解蓄电池实际健康状况的作用。

1)电导测试法的抗干扰性:

电导采用10-50Hz之间的最佳的测试频率,克服了外部噪音的问题;具体原理参见下面的等效电路:

 

 

美国NorthStar蓄电池公司的Dr. Fleming经过仔细研究,在其文章《使用电导技术测试NSB系列阀控式铅酸蓄电池》详细地分析论述为什么Midtronics电导技术能够可靠判定蓄电池的健康状况,下文是部分摘录:

要最大程度地获取上述等效电路中各个参数的信息,所施加的交流电信号的频率非常关键。如果电信号频率过高,就无法获得有关RPW的信息;相应的,如果电信号的频率过低,CP的值就会为0。要在电路中获取最多信息,即最大程度地反映NSB电池的物理化学属性,电信号的理想频率应在10-50Hz之间。

Midtronics电导测试仪是在上述的理想频率范围内对电池进行测试的,该设备首先施加一个交流电信号,测量其瞬时的反馈信号,然后计算该电池的交流电导值。交流电导值,或更准确地说叫导纳,以欧姆倒数(Ω-1)或西门子为单位,当电池老化、放电或出现故障的时候,这个值会降低。

2)阻抗测试法的抗干扰性:

由于阻抗测试法基本采用了较高的测试频率,数百Hz甚至上千Hz,远远超出了理想的测试频率,测试电信号频率过高,就无法获得有关RPW的信息;所以难以测出能真实反应蓄电池健康状况的数值。 

实际上,只要测试信号频率f > 100 Hz,测试结果中就有可能包含了由于线缆引起的影响造成的错误测量,特别是在大容量蓄电池的测试中尤其如此。数学上来讲,精度不高和可读性不强。Inductive noise causes false alarm.

3)电阻测试法的抗干扰性:

相应的,如果电信号的频率过低,CP的值就会为0。电阻测试法采用的是直流放电法,其电信号频率为0,无法测定出电池中那些表现象电容的部分。

结论:所以在实际测试中,采用阻抗法的内阻测试仪测试结果重复性不高,特别是当测试UPS等干扰较大的蓄电池时,测试同一只电池不能获得稳定、重复的测试结果,最终的测试结果失去价值,无法判定蓄电池健康状况。

 

2. 对蓄电池系统的影响

由于欧姆测试是在线测试,蓄电池系统处于浮充状态,所有设备正常工作,用户希望测试本身对蓄电池不产生影响。

1)电导测试法对蓄电池系统的影响

电导测试信号大小仅为1A5A,并且持续时间仅5-8秒,对蓄电池系统的电压等几乎不造成影响。

2)阻抗测试法对蓄电池系统的影响

市场上采用阻抗测试法的产品也基本采用较小的测试信号,对系统影响不大。

3)电阻测试法对蓄电池系统的影响

市场上采用电阻测试法的仪表通常信号在30A以上,根据蓄电池的容量大小其测试信号可高达70A,对蓄电池造成明显干扰。具体参见以下分析,下图是一组实际的测试数据:

 

 

 

 

 

 

 

上图中表示的是一次测试对电池电压产生的影响,

图中的蓝线表示的是实验电池在Midtronics一款1A测试信号产品的测试中电压发生的变化,我们可以看到:

电池的电压几乎没有变化

说明电导测试对蓄电池的影响微乎其微

图中的红线表示的是实验电池的电压在25A测试信号作用下发生的变化,我们看到:

在测试过程的6秒期间,电池电压持续变化

在测试过程中,蓄电池似乎是处于一种与稳定状态截然相反的一个变化状态中

我们不禁要质疑:如何能够在如此短的时间里面施行的一个稳定的直流测试呢?

结论由于测试信号大,采用电阻测试原理制造的产品往往存在以下的几点局限性:

a. 要求在测试不同电池之间要有一定间歇,

b. 不能同时测试电池的电压和内阻;

c. 在测试UPS蓄电池组时,往往因对蓄电池电压影响过大而触发系统原本安装的监控系统,造成电压异常告警;

d. 蓄电池在测试过程中可能会被极化,从而造成测试中和测试后的结果都发生来变化。

 

3. 总体比较 

三种测试方法中,采用阻抗原理的产品抗干扰性差,测试结果重复性不好,测试数据不可靠;采用电阻测试原理的产品测试信号大,就电池系统以及电池本身电压造成较大影响。采用电导测试发的产品能够较好地同时兼顾测试的抗干扰性以及减少对电池系统的影响,取得最佳效果。

 

 

 

 

 

 

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