一种快速预测阀控密封式铅酸蓄电池寿命的方法

王永瑞 韩 冰 张钟华 贺 青 李小亭

(1.河北大学，保定 071002；2.中国计量科学研究院，北京 100029)



一种快速预测阀控密封式铅酸蓄电池寿命的方法

王永瑞1韩 冰2张钟华2贺 青2李小亭1

(1.河北大学，保定 071002；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

本文提出了一种可以精确的测得阀控密封式铅酸蓄电池放电曲线的新方法，可用于快速预测阀控密封式铅酸蓄电池的寿命。随着电池使用次数的增加，蓄电池的放电曲线会发生变化，通过精确测量放电开始的一段曲线的特征设计出一种快速预测电池寿命的方法。经分析，可以得出阀控密封式铅酸蓄电池寿命与电池放电开始一段曲线斜率的关系，这个斜率的变化与电池的寿命特性呈现正相关特性。

蓄电池；寿命；放电曲线；快速预测

0 引言

随着环境污染问题的严重，电动汽车的推广越来越受到重视。电动汽车的动力来自于蓄电池，蓄电池的使用状态决定了电动汽车的可靠性。对蓄电池容量进行测量并预测电池的寿命，可以得到电动汽车的使用状态及续航能力，防止使用过程中动力不足现象的发生。

因为阀控密封式铅酸(VRLA)蓄电池具有容量大、价格低、基本免维护等优点，使其在各方面被广泛的应用[1-3]，如电动汽车、军事系统、通讯电源、UPS系统等。但是环境温度、充放电电流及次数、充放电深度、使用时间等因素都会影响铅酸蓄电池的容量，这些都给在线测量造成困难。如何准确快速预测电池的可输出容量成为一大难题。本文就阀控密封式铅酸蓄电池寿命的快速预测方法进行了研究和设计。

1 蓄电池寿命快速测量技术研究现状

国标QC/T 743—2006以电池容量衰减为额定容量的80%作为电池寿命终结的标志。其中，电池容量指的是电池从满充状态开始放电到终止电压(蓄电池说明书标注)所能放出的电量。由于影响VRLA电池容量的因素较多，所以在进行容量预测时用到的方法也是多种多样。目前最常用的蓄电池的检测方法主要有10小时率放电法[2,4]、电压巡检法和测量蓄电池内阻法。

GBT 19638.2—2005中对10小时率放电法进行了定义。蓄电池完全充电后，静置1～24h，当蓄电池的表面温度为25℃±5℃时，进行容量放电试验。10小时率容量用I10A(额定容量十分之一，这样10h放出的电量就是额定容量)的电流放电到1.75V时终止。放电期间测量并记录单体蓄电池的端电压及蓄电池表面温度，测记间隔为1h。在放电末期要随时测量，以便确定蓄电池放电到终止电压的准确时间。蓄电池在20～25℃条件下，以2.40V±0.01V/单格(12V蓄电池均由6个单格电池串联而成，每个单格的标称电压为2V，串联成12V)的恒定电压充电至电流值5h稳定不变(这里的电流值为充电电流，电池充满后会有自放电，为了使电池保持在满充状态，充电器会继续对电池涓流充电)，可认为蓄电池是完全充电。

电池容量表达式为

Q=∫Idt

(1)

这种蓄电池容量测试方法被广泛认可，测量结果也很可靠，所测得的电池容量最准确。缺点是会加速电池老化，减少电池使用寿命，而且测量时间长，测试麻烦，占用的人力物力较多。而且由于通电后负载的变化，电流不能够保持恒定不变，会对测量值产生影响。

电压法的优点是操作简单快速。它通过测量电池的开路电压和负载电压的大小来预测蓄电池的容量。文献[5]通过短时间测量来预测蓄电池的稳定电压，以此来预测蓄电池的剩余容量。这种方法虽然可以快速的预测蓄电池容量，但是预测值与测量值的相对误差在6%左右。

对于VRLA蓄电池，电导值是其保持充电能力的特性指标。通过测量内阻可以预测和评估蓄电池的性能，因为蓄电池的阻抗与其容量和完好性都有密切的关系[5]，其相关系数达到0.825。VRLA蓄电池铅酸蓄电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻随着电池老化变化较大，极化内阻几乎没有变化。有关资料表明欧姆内阻的绝大部分来自极板和电解液的欧姆电阻。

如图1是一种蓄电池的阻抗模型。其中Rm和Ra分别表示极板的欧姆内阻和电解液的欧姆内阻，Rb表示极化内阻，Cb表示电池的极化电容。

图1 蓄电池阻抗模型

在VRLA蓄电池的老化过程中,很多因素会导致蓄电池容量的减少,同时使电池欧姆内阻增长。由此可见,蓄电池欧姆内阻可作为表征其容量的可靠指标。

这种方法虽然可以实时在线的进行，但是蓄电池荷电状态低于30%时内阻变化比较剧烈，对蓄电池寿命预测的准确性影响很大。

2 蓄电池寿命快速预测方法的原理

通过对上述几种VRLA电池寿命预测方法的研究，我们不难发现：只有10小时率放电法可以可靠的测量电池的剩余寿命，但是这种方法周期特别长。其他的测量方法虽然速度快，但是准确性不高。

因此，本文基于10小时率放电法设计了一个快速预测VRLA电池寿命的方法，目的是实现蓄电池的在线监测，以确定是否需要进行10小时率放电法测量。本方法首先对10小时率放电法中用到的电阻元件进行了改进，一般的电阻元件在通电时会发热，因为热阻效应使得电阻的阻值发生变化，这样就会导致流经电阻上面的电流不恒定，从而使得测量结果偏离实际值。此方法利用低负载系数的电阻对电池进行放电，可以很好的消除负载通电变化对测量的影响。同时，电池受外界环境的影响非常大，所以在实验过程中将蓄电池放置于恒温室中，去除了环境的影响。这样所测得的电池放电曲线变化完全来自于电池的内部因素，避免了外接干扰的影响。

图2所示为阀控密封式铅酸蓄电池剩余寿命的预测过程，其中用到的低负载系数的电阻是由中国计量科学研究院研制的极低负载系数的电阻。

图2 测量方法示意图

测量电阻端电压所使用的万用表是安捷伦所生产的3458A数字万用表。电压测量精度可以达到10-8量级，经试验验证可以容易的分辨出电池端电压的微小变化量。

本方法采用LabVIEW编写的上位机程序来实现电压数据的快速实时记录。实验中数据采集的周期为1s，电压值被实时的显示在计算机显示器上，电压变化的曲线直接显示出来，既节省人力，又能实现数据的快速记录，达到快速测量的目的。

图3 电路原理图

图3所示就是本文所设计的电路原理图，其中Rs为低负载系数电阻，RH是一个可耐受高负荷的电阻元件，R1和R2构成一个分压器。R1和R2选用阻值为100MΩ的电阻，电路工作的时候流经两电阻上的电流可以忽略不计，自身发热也就接近于零。电池的端电压被R1和R2构成的分压器分压，当Rs与RH之间的电压值大于E·R1/(R1+R2)时，运算放大器构成的比较器会输出一个正电压，图中的晶体管通过的电流变大，等效电阻变小，相当于RH两端并联了一个阻值较小的电阻，起到对RH分流的作用，流经电阻RH上的电流变小，电压也就随之减小。同理，当此电压小于E·R1/(R1+R2)时，运算放大器和晶体管构成的电压补偿电路产生相反的作用，最终使两点的电压值相同。

计算可得，电池所接负载电路的等效电阻为

Reff=Rs(R1+R2)/R1

(2)

可以看出，如果R2/R1很稳定，Reff将和Rs一样具有低负载系数。这样就使得整个负载电路不受电流变化的影响，从而提高检测的精度。

如果检测精度足够高，那么处于不同状态的蓄电池放电曲线的细微差别将被检测出来。尤其是在电池放电开始的一段时间内。对于同一蓄电池，随着循环次数和使用时间的增加，曲线也将明显发生变化，可作为蓄电池性能及寿命的评估判据[7]。如果开始这段时间的放电曲线可以表征整个放电曲线，那么这段曲线的特征就包含了电池剩余寿命的信息。通过测量和分析这段曲线就可以在短时间内预测电池的寿命。

3 实验数据分析

经过大量的实测数据分析，可以发现同一电池在短期内的放电曲线是没有明显规律的，放电曲线起始部分的斜率并没有太明显的变化，但是随着放电次数的增加，放电次数间隔的变大，放电曲线所表现出来的差异就会变得明显起来。

图4为VRLA蓄电池不同循环次数后的放电的起始部分曲线。由各条放电曲线的拟合趋势线的回归方程可以看出，随着电池使用次数的增加，一次项系数有明显的变化，且随着放电次数的增多有放缓的趋势。一次项系数的变化趋势的回归方程为：

图4 电池放电曲线对比

(3)

式中，x为放电次数；y为电池x次放电时拟合曲线的一次项系数。通过测量得到一次项系数就可以计算得到电池的使用次数，从而实现对电池剩余使用寿命的预测。

通过以上的对比试验可以初步得到以下推论：

1)电池的放电曲线随着使用次数的增加会发生显著变化，这个变化与电池的寿命特性呈现正相关特性。

2)电池的容量越接近理想状态，测量得到的放电曲线拟合后的一阶系数越小，与预测吻合。一阶系数随蓄电池循环次数的增加成对数趋势减小，可以作为阀控密封式铅酸蓄电池寿命预测的判断指标。

4 结论

实验证明阀控密封式铅酸蓄电池在经过多次的充放电循环之后，放电开始的一段曲线的特征是有明显变化的，可以用来快速预测电池的寿命。这种方法可以与其他多种方法共同使用，以达到准确测量的目的，也可以用于判断蓄电池是否需要进行10小时率放电法进行容量精确测定的一个判据。同时本方法也有一些问题需要解决，如放电起始点的确定；不同型号电池的特性曲线不同；恒电阻负载与恒电流负载的等效问题；实验室测试与现场应用之间差异巨大等。而且要定量的描述蓄电池的寿命还需长期的实验和大量的数据积累。因此，这种快速预测阀控密封式铅酸蓄电池寿命的方法还需进一步的研究和改进。

[1] Pan shangzhi, Qian zhaoming and Lei na .A novel charge and discharge equalization scheme for battery strings.Journal of Zhejiang University, 2000,Vol.2 No.1

[2] Manfred R.Laiding and John W.Wurst.Battery failure prediction BTECH, Inc.Whippany, New Jersey.

[3] 罗希国.蓄电池残留放电时间的监视[J].华北电力技术，2001(1)

[4] M.F.Groves.Storage battery maintenance JUNE 1990 Western area power administration system maintenance manual， chapter 9

[5] J.M.Hawkins & L.O.Barling Some aspects of battery impedance characteristics in Proc.Conf.INTELEC 95, 1995

[6] J.H.Aylor, A.Thienne and B.W.Jhnson.A battery state of charge indicator for electricwheel chairs, IEEE Trans.Ind.Electron., 1995, 39

[7] 陈杰，徐剑虹.阀控密封式铅酸蓄电池失效机理及检测[J].电源技术，1999， 23(6)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.3.06