【文章內(nèi)容簡介】 的 查出完全失效的電池，根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)分析及研究結(jié)果 可以 證明， 當(dāng) 電池 容量降低到 50％以后，內(nèi)阻 就 會(huì)有較大變化， 當(dāng) 降低到40％以后，會(huì)有明顯變化，所以，根據(jù)電池 內(nèi)阻 值或者 電導(dǎo) 值，可以在一定程度上確定電池的 性能， 但是通過內(nèi)阻值不能夠判斷電池的好壞程度。 因此，采用 內(nèi)阻 法測試電池的內(nèi)阻或 電導(dǎo) 是判定蓄電池好壞的一種有價(jià)值的參考思路，但卻不足以準(zhǔn)確地測算出電池的實(shí)際性能指標(biāo)，尤其是容量指標(biāo)。 本論文的主要研究工作 總結(jié)了直流屏蓄電池檢測的研究背景和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)闡述各種蓄電池狀態(tài)及其故障檢測方法，對(duì)蓄電池內(nèi)阻測量方法進(jìn)行詳盡的分析和研究。設(shè)計(jì) 一套蓄電池檢測系統(tǒng)的硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法及其軟件設(shè)計(jì)的流程圖，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了的比較分析，提出了蓄電池檢測系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)和完善的合理化建議。 山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 蓄電池狀態(tài)極其故障檢測方法 5 2 蓄電池 狀態(tài)及其故障檢測方法 概述 蓄電 池 又稱二次電池，它不僅能將儲(chǔ)備的化學(xué)能變?yōu)殡娔埽ㄟ@一過程成為放電），而且當(dāng)參加的物質(zhì)以電阻的形式釋放完畢之后，再用充電器對(duì)它輸入直流電能（這一過程成為充電），又可將已損耗的活性物質(zhì)復(fù)活。因此蓄電池可以進(jìn)行多次充、放電循環(huán)。它可作為傳動(dòng)、保護(hù)、控制、通信等裝置的獨(dú)立直流電源，并且在郵電、鐵路、車輛、船舶、化工，國防等部門得到了廣泛應(yīng)用。在電力系統(tǒng)中，蓄電池一直都是直流操作系統(tǒng)中必不可少的組成部分，而且是直流操作系統(tǒng) 維護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。電力系統(tǒng)中蓄電池直流系統(tǒng)為信號(hào)設(shè)備、保護(hù)、自動(dòng)裝置、事故照明及斷路器分、合閘操作提供直流電源，并在外部交流電中斷的情況下，保證繼續(xù)提供可靠直流電源。蓄電池穩(wěn)定、可靠、安全性直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。近年來由于蓄電池問題造成的電力事故比比皆是，因此加強(qiáng)對(duì)蓄電池穩(wěn)定、可靠的保護(hù)和維護(hù)是保證電網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 在變電站的直流系統(tǒng)中，在正常狀態(tài)下蓄電池會(huì)處于浮充電狀態(tài)下，交流部分負(fù)責(zé)提供直流負(fù)荷，可當(dāng)在交流失電的情況下，蓄電池會(huì)被投入到電力系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)直流的供應(yīng)。 目前，本裝置主要配合閥控密封式鉛酸蓄電池（ VRLAValve Regulared Leid Acid）。 閥控式密封鉛酸蓄電池特性 蓄電池在直流屏系統(tǒng)中的主要功能是在交流失電的情況下，能夠及時(shí)的向二次電路提供直流電。在本系統(tǒng)中采用 閥控式密封鉛酸蓄電池 ， 閥控式密封鉛酸蓄電池 （ VRLA） 被稱為 免維護(hù)電池 ， 近幾年來在電力系統(tǒng)各個(gè)專業(yè)部門中得到了廣泛應(yīng)用。 其主要特點(diǎn)是： 采用多元優(yōu)質(zhì)板珊合金，其氣體釋放的過電位得到了提高。普通蓄電池在／單體（ 25℃ ）以上時(shí)釋放氣體 ， 閥控式密封鉛酸蓄電池 在 ／單山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 蓄電池狀態(tài)極其故障檢測方法 6 體（ 25℃ ）以上時(shí)釋放氣體 ，減少了氣體的釋放量。 閥控式密封鉛 酸蓄電池 的 負(fù)極比正極多出 10％的容量。 在 充電后期 ，由 正極釋放 出的 氧氣與負(fù)極接觸 并且 發(fā)生反應(yīng)，生成水，使負(fù)極由于氧氣的作用處于欠充電狀態(tài) 而 不產(chǎn)生氫氣。 這種負(fù)極吸收正極的氧氣 ，再進(jìn)一步化合成水的過程， 叫做 陰極吸收。 閥控式密封鉛酸蓄電池 采用了 新型超細(xì)玻璃纖維隔板 ，相比于 普通鉛酸蓄電池采用 的 微孔橡膠隔板 ，其孔率得到了提高，這樣使氧氣更容易流入到負(fù)極，此外， 超細(xì)玻璃纖維隔板具有將硫酸電解液吸附的功能 。 閥控式密封鉛酸蓄電池 采用密封式閥控濾酸結(jié)構(gòu)， 能夠防止 酸霧逸出， 能起到 保護(hù)環(huán)境的 作用 。 但是，由于其本身材料和使用 維護(hù)等方面的原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電池失效的現(xiàn)象，有 的甚至只能用 2 年，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的可靠性。所以說 加強(qiáng)對(duì) 其 使用要求和維護(hù)方法的宣傳，正確理解 “免維護(hù) ”的含義，對(duì) 其 應(yīng)用 的推廣 是非常 重要的。 影響閥控式密封鉛酸蓄電池使用壽命的主要因素是 電池 失水和熱失控，下面分別討論它們的起因和預(yù)防措施： 電池失水及預(yù)防 ： 閥控式密封鉛酸蓄電池 是在“貧液”狀態(tài)下工作的， 如果電池處于 “富液 ”狀態(tài)， 會(huì)阻塞 隔板中 O2 的通道， 這時(shí)， 氣體 的 復(fù)合效率低，電池內(nèi)壓力增大，特別是在安全閥性能不良情況下，失水更加嚴(yán)重， 甚至?xí)?dǎo)致干涸。此外，如果 浮充電壓過高， 也會(huì)引起 失水。另外， 如果 使用環(huán)境溫度增高， 而沒有 調(diào)整 其 浮充電壓，也同樣 會(huì)增加 失水 量 。 所以說閥控鉛酸蓄電池的溫度和環(huán)境溫度的監(jiān)測是十分重要的，并且還必須對(duì)充電電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以避免在高溫下的過充和低溫下的欠充。 熱失控 的 產(chǎn)生與預(yù)防： 如果 充電電壓和電流控制不當(dāng)，在充電后期，會(huì)出現(xiàn)一種臨界狀態(tài)，即熱失控。此時(shí)，蓄電池的電流及溫度發(fā)生積累性的相互增強(qiáng)作用，使電池槽殼變形 “鼓肚子 ”，這是比較嚴(yán)重的故障。 在正常浮充電壓下 ， 熱失控 是不可能產(chǎn)生 的，只有人為操作和設(shè)備失控使電壓過高，或電池組中個(gè)別電 池嚴(yán)重故障如短路、反極時(shí)才可能產(chǎn)生。因此，正確選擇浮充電壓和定期檢查每個(gè)電池的 “健康情況 ”是非常重要的，如果使用環(huán)境溫度變化較大，應(yīng)根據(jù)溫度補(bǔ)償加以校正。 山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 蓄電池狀態(tài)極其故障檢測方法 7 通過以上分析可知，充 放電過程對(duì)蓄電池的壽命的影響很大。而現(xiàn)在的直流屏系統(tǒng)在充放電過程中只是機(jī)械的按照規(guī)定好的充放電步驟不斷重復(fù)，缺少綜合處理能力和實(shí)際的靈活性。而這正好可以由微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來彌補(bǔ)和完善。 蓄電池 電壓檢測方法 蓄電池的狀態(tài)分類 蓄電池的狀態(tài)主要包括：充電狀態(tài)和“健康”狀態(tài)， 充電狀態(tài)即電池實(shí)際可以放出的容量，“健康”狀態(tài)主要 是對(duì)充電狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)充的狀態(tài)，它可以說明電池元件的老化程度和對(duì)電池壽命和性能的影響，以及現(xiàn)有的電池容量是否能夠在未來的一段時(shí)間內(nèi)被可靠的放出。只有充滿電的“健康”電池才能夠保證對(duì)負(fù)載的不間斷供電，所以說，通過對(duì)電池充電狀態(tài)和“健康”狀態(tài)的檢測可以預(yù)測出電池的故障，通過電池監(jiān)控能夠檢測出電池充電狀態(tài)和“健康”狀況，進(jìn)一步確定電池在要求的時(shí)間范圍內(nèi)可以為負(fù)載可靠供電。電池監(jiān)測的主要內(nèi)容是： 電池充電狀態(tài)（電池容量）：檢查并且確認(rèn)電池組內(nèi)的每只電池都處于滿充電狀態(tài)。 電池“健康”狀態(tài)：通過對(duì)一些運(yùn)行參數(shù)的檢測，間接 的看出電池是否發(fā)生故障。此外，為了防止電池在正常工作條件下有不好的工作條件施加給電池，就要求在異常工作條件（例如高壓下浮充，深度放電，溫度過高等）出現(xiàn)的時(shí)候，應(yīng)該及時(shí)報(bào)警并且在嚴(yán)重的時(shí)候應(yīng)該立即切斷充電電流。 蓄電池的狀態(tài)檢測 電池充電狀態(tài)（電池容量）的檢測 對(duì)于檢測電池容量只有一種方法，就是進(jìn)行放電試驗(yàn)（容量試驗(yàn)：按照對(duì)電流恒流放電的國家相關(guān)規(guī)定，蓄電池容量 =放電電流 *時(shí)間），利用這種方法，檢查蓄電池在內(nèi)的整個(gè)備用系統(tǒng)，可以檢測出各個(gè)單體電池以及電池外部的各種故障，這種方法是一種比較可靠的檢 測方法，但是不可以頻繁的進(jìn)行放電試驗(yàn)，其原因是：這種方法費(fèi)力費(fèi)時(shí)間，并且有一定的危險(xiǎn)性 ， 放電試驗(yàn)容易加山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 蓄電池狀態(tài)極其故障檢測方法 8 速電池的老化，這樣就減少了電池的壽命在放電試驗(yàn)過程中以及放電后再充電，在電池緊急情況下不能為負(fù)載及時(shí)供電。 電池“健康”狀況的檢測 電池“健康”狀況的檢測就是對(duì)單體電池故障的檢測，通過檢測蓄電池電壓和內(nèi)阻可以很直觀的看出電池的故障。 電池電壓的測量 通過測量蓄電池的電壓可以判斷出蓄電池充、放電進(jìn)程，浮充電壓是否適當(dāng)，當(dāng)前電壓是否超出允許的極限值，并且可以估計(jì)出蓄電池剩余的容量，還可以作為判斷蓄電池組性能 好壞的標(biāo)準(zhǔn)，可以說，對(duì)蓄電池電壓的檢測是非常重要的。 目前，電池監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過對(duì)單個(gè)電池或者多個(gè)電池組合單元的電壓判斷電池的故障。單個(gè)電池的電壓是非常低的，但是串聯(lián)后的電池組合可以獲得很高的電壓。蓄電池組各個(gè)電池的端電壓相對(duì)于地的電壓變化范圍是非常大的，最低能低到 2V，最高能高到 240V，但是需要測量的電壓范圍相對(duì)來說是比較窄的，對(duì)于量程是從 2V到 240V的電壓范圍，那么需要能夠準(zhǔn)確測量 ，那么其測量精度是 ，如果需要在這么大的量程內(nèi)獲得這么高的測量精度，那么器件的成本將很 高，那么怎么樣才能有效且低成本的實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池電壓的在線檢測成為了一個(gè)難題。對(duì)每一個(gè)電池都安裝一個(gè)直流電壓隔離變送器是最直接的方法，但是，這種方法花費(fèi)非常的大，并且有危險(xiǎn)性。 由以上可得，若直接從蓄電池組中獲取單個(gè)電池的電壓是有很大難度的。如果想獲得蓄電池組中單個(gè)電池的電壓，就要將單個(gè)電池從蓄電池組中隔離出來。單片機(jī)有充足的 I/O 口其有很好 的控制能力，在本系統(tǒng)中，采用繼電器實(shí)現(xiàn)單個(gè)電池的隔離。 圖 2. 1 示出了蓄電池組電壓測量電路圖，蓄電池組是有 30 節(jié)單節(jié)電池 組成的，每個(gè)單節(jié)電池的輸出端接入兩個(gè)繼電器，當(dāng)繼電器 DL1 DL21 閉合，那么第一個(gè)單節(jié)電池 B1 被接入電池放大電路，這時(shí)檢測的是 B1 的電壓，以此類推，每個(gè)單節(jié)電池都都能被接入電池放大電路。電池放大電路的作用主要是將單節(jié)電池的電壓信號(hào)放大到一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娖?，以供測量。在電路圖中， R11，山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 蓄電池狀態(tài)極其故障檢測方法 9 R21? R162 是保護(hù)電阻，防止繼電器指控，起到保護(hù)設(shè)備的作用，一般情況下，保護(hù)電阻的阻值比較大，并且應(yīng)該與電池組的最大串聯(lián)電壓相對(duì)應(yīng)。具體測量方法如下： B 1 9B 2 9B 3 0B 1 8B 1 7B 1 6B 4B 5B 6B 7B 1 4B 1 5B 3B 2B 1D L 1 1R 1 1D L 2 1R 2 1D L 3 1R 3 1D L 4 1R 4 1D L 5 1R 5 1D L 6 1R 6 1D L 7 1R 7 1D L 1 4 1R 1 4 1D L 1 5 1R 1 5 1D L 1 2R 1 2D L 2 2R 2 2D L 3 2R 3 2D L 4 2R 4 2D L 1 3 2R 1 3 2D L 1 4 2R 1 4 2D L 1 5 2R 1 5 2D L 1 6 2R 1 6 2D L 1 6 1R 1 6 1D M 2 2D M 2 1D M 1 2D M 1 1電 池放 大處 理電 路u1u2。。。。B 2 8 圖 2. 1 蓄電池組電壓測量電路圖 . 1 Battery Voltage Measurement Circuit 利用節(jié)點(diǎn)電壓法得 U U2 點(diǎn)電壓方程： ? ? ??????? 11 2211pj jFLuLiFuVGGVGGpGV （ ） ? ? ?? ?????? 1 1 12112 pj jFLuLiFu VGGVGGpGV （ ） 其中： FG 是電池放大電路的電阻， iG 是每一單節(jié)電池多對(duì)應(yīng)的保護(hù)地電阻與山東科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 第 2 章 蓄電池狀態(tài)極其故障檢測方法 10 繼電器導(dǎo)通電阻之和， LG 是線路的電阻， jV 為每一單節(jié)電池對(duì)地電位，在本系統(tǒng)中，共接入 p 個(gè)電池，取 1p =(p 1)/2。 由 和 整理可得： ? ?LiFpjLFjjFuu GGpGUGUpGVVGUUUU 22111112121211???????????? LiFLF GGpG UGUGU 221111 ?? ????? （ ） 其中： ?? ? ???11 11121pj j UpUU （ ） 由上述結(jié)果可知，在理想狀態(tài)下， FG 和 LG 等于 0，那么這 ,時(shí)檢測誤差為 0，可見選用這種方法可以很好的減少電路測量的誤差， 1U? 與 p 近似成正比關(guān)系，1U? 隨著 p 的增大而增大，那么誤差也會(huì)隨之增大，所以設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)電池進(jìn)行核實(shí)的分組，以減少測量誤差。 蓄電池 內(nèi)阻測量方法 通過對(duì)大量蓄電池的故障的研究分析和運(yùn)用表明，蓄電池內(nèi)阻可作為衡量其容量和完好性的有效指標(biāo)。當(dāng)蓄電池故障或在老化過程中時(shí)，其內(nèi)阻值明顯變大，但是其電池電壓的上升和內(nèi)阻的增大不會(huì)同時(shí)發(fā)生。一般情況下，在內(nèi)阻開始增大的這一段很長的時(shí)間里，電池的浮充