关于内阻测试原理全解

关于内阻测试原理

随着蓄电池从开口式密封式到VLRA(阀控铅酸电池)的演化,以及UPS系统的大规模使用,采用一种经济可靠的方法建立电池的容量和传导途径形态的工作被摆到了重要的位置。通过测量电池的内阻及浮充电压和电池特性曲线便可以确定电池性能状态。

对于建立蓄电池容量和传导途径新方法的研究工作一直都没有停止过。传统认为，电池的容量是在恒流或恒功率下，在一定负载下达到最终电压的额定时间，它是由制造商决定的。新电池实际容量比它的额定容量一般要大20%左右。

电池专家们一致认为受控情况下的负载测试，仍是确定电池容量的唯一正确的方法。这些情况反映在美国的几个国家标准中；最新的标准发表于1995年。但是，人们通过多年的研究和试验而获得的经验，取得了大量的有关电池特性和测量方面实用资料。

早在1995年公开发表电池的等效电路和典型数值（见图1）电池的内部电路模型，使人们能大致地理解电池内部参数与它的传导途径和容量的关系。

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电池内部电路模型的主要元件是电阻、电感和电容。研究人员使用了各种仪器和方法对电池进行测试，测试频率从几赫兹到几千赫兹，以试图在这些元件与电池的容量之间建立起某种关系。但得到的结果常常是混淆的或相反的。

对于差不多所有典型的蓄电池应用，电感对于电池的性能影响是非常小的，这是因为它的数值实在太小（仅有0.05到0.2微亨）。而另一方面电池的电容又出奇的大，每100安时容量即可达到1.7法拉。这对于充电器制造商们是个好消息，

他们可以利用电池的这个特性对充电器的输出电压进行滤波。但是，极少有证据显示出电容与电池容量的关系。个别研究人员觉得容抗与电池容量的有一定的关系。但不管怎么说，电化学电阻随着测试频率的增加而增加。测出的阻抗和导纳读数中同时包含了电容和电感的因素。

实际的内阻

我们在研制内阻测试仪的过程中，精选出一个电池模型，（见图2）这个模型将电池的内阻划分为金属电阻和电化学电阻。这些阻抗是不随测试频率变化的。在研究电池容量关系的过程中，为了获得最佳的结果。研究人员甚至使用了极低的频率甚至零频率直流放电。（享有很高声望的日本电话电报公司是一个关注电池内阻的研究单位。他们的研究人员得出了正是由于内阻的增加，从而导致了铅酸电池性能退化的结论。通过对试验结果的总结，他们认为用测量电池的内阻的方法可估算出85%的退化电池。）

留意下面图（图3）容量与普通内阻的曲线，这只是一个近似的曲线。多数人认为电池内阻与容量之间不应只是一条简单的直线关系，实际上应该是一个相

当复杂的非线性函数。

部分人认为直线不能描述电池的容量关系，这是因为在电池放电过程中金属电阻和电化学电阻问题所显示出不同的特性。典型100%容量电池的放电曲线如图4。

显而易见，增加的内阻对电池的容量有着负面的影响，电池内部的功率消耗应为I2×R电池内阻。由于这部分的能量没有得以真正利用，从而造成实际容量的减少。在放电过程中电池容量的减少，与电池内部金属电阻和电化学电阻变化的依赖关系是不同的。

金属内阻

电池的内部传导途径一直困扰着大多数电池测试方面的专家。因为电池性能退化现象发生得特别快，这种情况可以在每年、甚至更短的容量测试间隙期间出现。

报废电池的反常内阻说明了电池的极柱、内部的汇流排及板栅已成为化学腐蚀、较差的焊接质量及铸铅时的牺牲品。这时会看到插入液体中铜表面的腐蚀或已从铅质极柱脱落的状况。

从图5中可以清楚地看到由于高的金属电阻而造成的电池容量的损失。极柱上的输出电压从放电开始到结束一直在减少。

电化学电阻

涂膏、电解质和隔离器构成了电池内阻中的电化学部分。长时间的使用会造

成活性物质减少或涂膏老化，使电池的电化学电阻不断增加。在电池充放电时电解液的比重变化、以及隔离器的成份或其表面的化学构成的改变，也都会使电池的电化学电阻产生暂时的变化。

隔离器蠕变、堵塞、短路或者硫化现象，常常会使电池出现不正常的现象及电化学电阻的增加。但在阀控铅酸电池接近报废时，电解液的干涸是第一号敌人。

图6说明了电池的电化学电阻特性。除非电池进行过度放电（象耗尽燃料的汽车），否则它的容量不会有明显的减少。而另一方面金属电阻则可以看成是油量表的指针。金属电阻和化学电阻造成电池额定容量和实际容量差距最大的两个原因。

内阻与电池的老化

内阻为电池的老化提供了线索。电池的老化过程是基于设计时的材料和结构退化的速度。比如正常的电池寿命，是指温度为75℉，以及在特殊的浮充环境及规定深度的放电和频率情况下的寿命。

缓慢传导路径的腐蚀，极板上活性物质的脱落，板栅的变形以及VRLA电池液的挥发，所有这些自然过程都是促使了电池寿命的终结。

内阻的增加和容量的减小都是电池老化现象的标志。通常情况下，电池的容量低于实际的80%时，其性能会急速下降，应建议更换这个电池。

电池的内阻在正常情况下增加得很慢，但是当电池的寿命快结束时，内阻会加速增大。报废电池的内阻比正常或新电池的内阻高25%，有些甚至达50%。

温度与内阻

了解温度对内阻的影响是十分重要的。图7清楚地反应了典型的AGM VRLA电池在45℉下内阻和阻抗的快速增加。

在温和的气候下，对无温度调节环境下的VRLA电池，应考虑季度间测量的电池内阻的不同变化。测试时，同时记录环境温度，会节省做进一步测试的时间和防止误报警。同样，受到空气冷却的电池读数要高于邻近挡风处的电池读数。如果条件许可，试着改变一下电池房内空气流动的方向。

通过确定电池的内阻来判别电池的反常情况和正常的老化。由于采用了直流技术，因此它可以准确的重复测量在线电池的内阻。纹波电流、60Hz电场、噪声以及一般的浮充电流都不会对仪器产生实际的影响。

电池制造商通常利用简单的欧姆定律来确定电池的内阻。他们的一般作法是测量电池放电期间的电压变化以及电流。

我们内阻测试的原理见图8，但是它更快、更精确。图8中说明了电池与负载之间的关系，电池在负载接通时，它的内阻会造成瞬间电压降。

在负载断开时，又会出现恢复电压。读取电流和负载断开前和恢复后的电池电压。从而简单地得出R电池内阻=△V/I。

放电的瞬间测试

对于额定容量小于1000A的电池，放电电流8A的时间只有3-4秒钟。而对于大容量电池来说，这个时间则不到10秒钟。

实际测试中，在一开始的几毫秒内，便能感应到电流。如果电池的内阻很高，放电电流会很小，仪器会将放电立即中止。所以，对于一个电池来说，不会损坏电池。

许多人会想象一个充满的蓄电池所储存能量在减少的同时，电池的内阻将会成比例和有相当程度的的增加。从对铅酸电池的电化学方面的理解，大部分的人都会坚持这个观点。

但实际情况是在电池的能量消耗50%时，内阻的增加不会高于5%。而在连续放电情况下内阻将以一种非线性方式急剧增加。由于电池在放电时的这个变化，不具备金属电阻的特性。因此可以得出下面的结论：

1）电池内阻的主要变化只是电化学部分电阻的变化。

2）电池从100%能量降至终止电压，电化学电阻只占电池内阻的一小部分。

“基准值”以及取得它的最佳时机

电池学者们希望一开始就有可用于分析的电池容量和内阻的测量数据。

他们寻求找出电池在100%和容量100%时的内阻数据，以确定电池所处的状