密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻分析-中國百科網(wǎng)

時(shí)間：2023-04-30 22:04:39 資料我要投稿

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前言

現(xiàn)在我國郵電部分已廣泛采用閥控式密封鉛蓄電池作為通訊電源。由于這種電池是密封的，?不像原來的自由電解液固定型鉛蓄電池那樣透明直觀，又無法直接丈量電解液密度，因而給使用維護(hù)工作帶來一定的困難。于是人們�？赐ㄟ^檢測電池內(nèi)阻的辦法來識別和猜測電池的性能。目前進(jìn)口的和國產(chǎn)的用于在線丈量電池內(nèi)阻的VRLA電導(dǎo)測試儀已在一些部分得到應(yīng)用。然而實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，利用在線檢測閥控式密封鉛蓄電池內(nèi)阻（或電導(dǎo)）來識別和判定電池的性能并不能令人滿足。本文擬在分析電池內(nèi)阻的組成、測試原理和方法的基礎(chǔ)上，闡述這一方法的適用條件及其局限性。

1　蓄電池內(nèi)阻的組成

宏觀看來，假如電池的開路電壓為V0，當(dāng)用電流I放電時(shí)其端電位為V，則r＝（?V0-V）/I就是電池內(nèi)阻。然而這樣得到的電池內(nèi)阻并不是一個(gè)常數(shù)，它不但隨電池的工作狀態(tài)和環(huán)境條件而變，而且還因測試方法和測試持續(xù)時(shí)間而異。究實(shí)在質(zhì)，乃因電池內(nèi)阻r包括著復(fù)雜的而且是變化著的成分。第一文庫網(wǎng) 理論電化學(xué)早已指出，電池在充電或放電時(shí)其端電壓V是由以下3部分組成的：

（1）

式中的IRΩ稱為歐姆極化，它是由電池內(nèi)部各組件的歐姆內(nèi)阻RΩ引起的；是由電極?四周液層中參與反應(yīng)或天生的?離子的濃度變化引起的，稱為濃差極化；是由反應(yīng)粒子進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)所引起的，稱為活化極化。由（1）式?可知，?宏觀上測出的電池內(nèi)阻（即穩(wěn)態(tài)內(nèi)阻）R是由3部分組成的：歐姆內(nèi)阻RΩ、濃差極?化內(nèi)阻Rc和活化極化內(nèi)阻Re。

歐姆內(nèi)阻RΩ包括電池內(nèi)部的電極、隔膜、電解液、連接條和極柱等全部零部件的電?阻。雖?然在電池整個(gè)壽命期間它會因板柵腐蝕和電極變形而改變，但是在每次檢測電池內(nèi)阻過程中?可以以為是不變的。

濃差極化內(nèi)阻既然是由反應(yīng)離子濃度變化引起的，只要有電化學(xué)反應(yīng)在進(jìn)行，反?應(yīng)離子的濃?度就總是在變化著的，因而它的數(shù)值是處于變化狀態(tài)，丈量方法不同或丈量持續(xù)時(shí)間不同，?其測得的結(jié)果也會不同。

活化極化內(nèi)阻是由電化學(xué)反應(yīng)體系的性質(zhì)決定的；電池體系和結(jié)構(gòu)確定了，其活化極化內(nèi)阻?也就定了；只有在電池壽命后期或放電后期電極結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生了變化而引起反應(yīng)電流密度?改變時(shí)才有改變，但其數(shù)值仍然很小。

2　電池內(nèi)阻的丈量原理

2.1　直流法測電池歐姆內(nèi)阻

對于平板式單電極而言，當(dāng)有階躍電流i流過期，其電位就會隨時(shí)間t而變化，當(dāng)?t?＞5×10-5s時(shí)，電位變化η可用下式表示［1］：

（2）

式中Cd表示電極四周雙電層電容值，io為交換電流密度，RΩ為電極歐?姆內(nèi)阻，N、R、T、F、n均為常數(shù)，其物理意義可參閱文獻(xiàn)［1］。

（2）式等號右邊的第一項(xiàng)iRΩ表示電極歐姆內(nèi)阻引起的電位變化，它與時(shí)間無關(guān)；?第2項(xiàng)表?示濃差極化隨時(shí)間的變化；第3項(xiàng)表示因給電極四周的雙電層電容充電引起的電位變化，在?t→0時(shí)其值也→0；第4項(xiàng)則表示電極反應(yīng)的電化學(xué)極化，鉛蓄電池的i0較大?，則1/i0必然很小。由此可知，當(dāng)t→0時(shí)，η→iRΩ。

由此看來，在電池中有階躍電流I流過期，電位就要發(fā)生變化；只要測出t→0時(shí)電?池電位的變化△V，就可以算出電池的歐姆內(nèi)阻。

試驗(yàn)結(jié)果表明［1～2］，當(dāng)電池以恒電流I放電時(shí)，測出其在0.5～1ms內(nèi)電位的?變化?△V1，則由RΩ＝△V1/I即可算出電池的歐姆內(nèi)阻。用此法測得3Q10?5汽車電池歐姆?內(nèi)阻1.8mΩ，單格電池為0.6mΩ［1］；200Ah的VRLA為0.5mΩ［2］。

目前在一些部分使用的VRLA電導(dǎo)測試儀，其測試原理與此相似。它將已知頻率（大約為10Hz）?和幅度的電位加在單元電池的端子上，觀察相應(yīng)的電流輸出［3］，用此法測取電池?的電導(dǎo)?（或電阻）。由于其頻率較低，信號持續(xù)時(shí)間較長（100ms），則測得的電阻值中既含有歐姆?內(nèi)?阻又含有變化著的濃差極化內(nèi)阻（此時(shí)活化極化內(nèi)阻忽略了）。

2.2　交流法測電池內(nèi)阻

在工作［4］中先容了用交流阻抗法測密封鉛蓄電池內(nèi)阻，其交流信號頻率變化范圍?為0.?05Hz～10kHz。由于電池阻抗模與頻率的對數(shù)之間沒有嚴(yán)格的線性關(guān)系，但在高頻區(qū)（1kHz～?10kHz）卻變化較少，于是取此時(shí)的阻抗模作為電池內(nèi)阻，結(jié)果得到6V/4Ah密封鉛蓄電池內(nèi)?阻為40mΩ。

由于電池中的電極是多孔性的，而且又是多片電極緊密并聯(lián)在一起的，它的交流阻抗等效電?路極其復(fù)雜，至今尚無法從理論上精確地解決，只能根據(jù)在平板電極上得到的理論分析結(jié)果?近似地處理電池中的多孔性電極題目。再者從（1）式可以看出，電池中有恒定電流流過期，?其端電位是隨時(shí)間而變化的，不同的時(shí)刻測得的電位變化中包含了不同的成分，因而用本方?法測得的電池內(nèi)阻是隨交流信號的頻率而變化的。

過往也曾用交流阻抗法測電池內(nèi)阻，但均得不出正確的結(jié)果，其主要原因是無法建立正確的?等效電路，并且受外來噪聲的干擾比較嚴(yán)重。

3　電池內(nèi)阻跟荷電態(tài)的關(guān)系

在工作［2］中采用直流電壓降法對200Ah/2V的密封鉛蓄電池歐姆內(nèi)阻測試結(jié)果如表1?所示。對浮充狀態(tài)下工作?的電池測試結(jié)果表明，在電池失效之前其容量很少變化，歐姆內(nèi)阻也變化不大；一旦電池容?量迅速下降時(shí)，其歐姆內(nèi)阻也同步增大。固然如此，但仍然得不到電池歐姆內(nèi)阻跟電池容量?（荷電態(tài)）之間的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。

表1　電池荷電態(tài)與歐姆內(nèi)阻的關(guān)系

荷電態(tài)/%?100?85?68

歐姆內(nèi)阻/mΩ?0.50?1.20?1.93

根據(jù)文獻(xiàn)［4］采用交流阻抗法對6V/4Ah密封蓄電池的測試結(jié)果，在電池剩余容量高于4?0%時(shí)，電池的內(nèi)阻（它包含了歐姆內(nèi)?阻和部分濃差極化內(nèi)阻）幾乎是相同的；只是在低于40%時(shí)，其內(nèi)阻才迅速增加。此結(jié)果跟文?獻(xiàn)［2］中觀察到的相似，即密封鉛蓄電池在使用過程中（電池容量高于80%），其內(nèi)阻改變很?��；一旦電池內(nèi)阻有了明顯變化，則電池的壽命也即告終止了。在電池剩余容量與內(nèi)阻之間?沒有找到嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系。

4　電導(dǎo)法在線丈量結(jié)果的分析

根據(jù)以上對單個(gè)電池的丈量結(jié)果，再來觀察和分析當(dāng)前郵電部分使用的電導(dǎo)測試儀對密封鉛?蓄電池組的測試結(jié)果。

表2列出了用電導(dǎo)法對2V/300Ah閥控式密封鉛蓄電池內(nèi)阻和電位的測試結(jié)果。前2?行取自文獻(xiàn)?［3］，后4行取自曹昌勝先生在1998年4月召開的通訊電源檢測技術(shù)會議上發(fā)表的論文。表2?中最下排的代表該組電池的電導(dǎo)或電壓的均勻值；S表示它們的標(biāo)準(zhǔn)差，它代表了該組電池中?各單電池電導(dǎo)或電壓的離散程度。S越小，則該蓄電池組中各單電池的性能越均勻，反之亦然。S/則代表了相對標(biāo)準(zhǔn)差。

表2　電導(dǎo)法對在線電池的測試結(jié)果

電池號?電壓

/V?電導(dǎo)/kS?放　　電?充　　電

電?壓/V?電導(dǎo)/kS?電壓/V?電導(dǎo)/kS

1?2.26?1.02?2.08?2.33?2.37?2.70

2?2.24?1.35?2.08?2.08?2.33?2.173

3?2.28?0.702?2.07?2.25?2.33?2.25

4?2.24?0.936?2.10?2.78?2.32?1.81

5?2.29?1.35?2.12?2.88?2.32?2.10

6?2.26?1.36?2.02?2.19?2.30?2.28

7?2.24?0.548?2.04?2.23?2.32?2.08

8?2.23?1.52?2.01?2.12?2.46?2.42

9?2.23?0.938?2.02?2.07?2.29?1.71

10?2.26?1.21?2.08?2.61?2.34?2.15

11?2.24?1.34?2.00?2.24?2.33?2.37

12?2.27?1.05?2.03?2.17?2.37?2.20

13?2.21?1.40?2.10?2.39?2.36?2.21

14?2.26?1.05?2.02?2.28?2.29?2.10

15?2.27?1.69?2.08?2.86?2.58?2.68

16?2.24?1.31?2.03?2.18?2.29?2.20

17?2.29?1.53?2.03?2.25?2.37?2.37

18?2.26?1.37?2.02?2.30?2.33?2.54

19?2.30?1.64?2.02?2.04?2.30?1.81

20?2.27?0.768?2.04?2.09?2.30?2.20

21?2.18?0.345?2.06?2.24?2.42?2.88

22?2.27?0.826?2.02?2.03?2.42?2.73

23?2.23?1.70?2.03?2.39?2.31?2.08

24?2.27?1.08?2.03?2.35?2.30?1.84

2.254?1.170?2.047?2.306?2.348?2.245

S?0.0272?0.359?0.0333?0.244?0.0669?0.304

S/?0.0120?0.307?0.0163?0.106?0.0285?0.136

從表2數(shù)據(jù)可以看出：①電池的電導(dǎo)跟電壓之間沒有對應(yīng)的關(guān)系，②同一組電池的各個(gè)?電導(dǎo)之間的離散程度遠(yuǎn)大于電壓之間的離散程度，③對同樣的2V/300Ah電池，不同作者?用不同電導(dǎo)儀測試的結(jié)果會相差1倍以上。造成上述現(xiàn)象的原因看來首先在于目前用電導(dǎo)?儀測得的電池“電導(dǎo)”的含義不夠明確，?它既包含了電池歐姆內(nèi)阻的影響，又包含了變化著的濃差極化電阻的作用。再者從所測的電導(dǎo)值來看，電池的內(nèi)阻是在mΩ級，丈量過程中接觸電阻引進(jìn)的誤差（接近mΩ級）嚴(yán)重干擾了測試結(jié)果。

因此用電導(dǎo)儀測試密封鉛蓄電池內(nèi)阻時(shí)，必須由專人細(xì)心操縱，盡量減少引進(jìn)的誤差，這樣?得出的數(shù)據(jù)才能真正反映電池實(shí)際。對照相同情況下電池電壓的分布，其離散性則小得多。?這是由于電極的電位是電極表面熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的直接反映，并且在丈量過程中引進(jìn)的誤差較電導(dǎo)丈量要小，因而電池在充電或放電過程中（不是開路靜置時(shí)）電位的變化比較更能反映電池的狀態(tài)。

5　結(jié)論

a.密封鉛蓄電池的內(nèi)阻是復(fù)雜的，它包含了電池的歐姆內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻?、電化學(xué)反應(yīng)內(nèi)阻以及雙層電容充電時(shí)的干擾作用。

b.用不同的測試方法和不同時(shí)刻測得的內(nèi)阻值中包含的成分及其相對含量是不同的，因而?測得的內(nèi)阻值也不相同。

c.密封鉛蓄電池內(nèi)阻（或電導(dǎo)）跟電池容量之間沒有觀察到嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，無法根據(jù)單個(gè)?電池的內(nèi)阻（或電導(dǎo)）值往猜測電池使用壽命。但電池內(nèi)阻忽然增大或電導(dǎo)忽然減小時(shí)，則預(yù)?示著電池壽命即將終止。

參考文獻(xiàn)

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