目前蓄電池安全檢測技術正面臨這樣的困境：容量放電試驗對電池有損，耗時費力且含有令人不安的運行風險，不可多用;內阻測試的判別準確率欠佳而難以完全信賴。能否尋找到一種能把容量放電法的高準確率和內阻法的方便安全集中于一身的新方法?這就是介于二者之間、又兼具二者之長的“半荷內阻法”。本文著重討論半荷內阻法的理論依據和實用關鍵。

　　1 電池組放電的電壓曲線族

　　單體電池的放電曲線作為電池最重要的性能指標早已為人熟知，放電曲線直觀展現了其電池在一定負載電流下其端電壓的變化規(guī)律，在忽略細節(jié)后可表述為：

　　1)終止電壓前的平穩(wěn)緩慢下降;

　　2)終止電壓后的快速下跌;

　　3)終止電壓為上述二線段之間的拐點，可以用二折線法粗略表現一條電壓曲線;

　　4)電壓拐點前的放電時間和負載電流的乘積被定義為電池的實際容量。

　　電池最終都以串聯方式成組使用，把串聯電池組各電池的放電曲線繪制在同一坐標中，就能構成一族曲線，簡稱“電壓曲線族”。圖1是用二折線法繪制的電壓曲線族。

　　蓄電池組在運行中電壓曲線族不斷變化，其變化規(guī)律為：投運初期各電池一致性較好，曲線族分布相對集中，長期運行中單體差異逐漸加大，曲線族分布也逐漸向左移動。圖1中電壓拐點的水平分布表征了電池性能的好壞，電壓拐點靠左的電池應予關注或維護，按照規(guī)范，在維護后電壓拐點仍落后于80%標稱拐點的電池應予更換。

　　需要說明的是：以上電壓曲線族的概念只適合理論分析，在維護實踐上價值不大，因為本來只需準確監(jiān)測到達電壓拐點的時間就足以解決一切問題，沒有逐點測繪整族曲線的必要。

　　2 蓄電池組放電的內阻曲線族

　　等效內阻是電池兩極柱上可直接測量的真實物理量，為討論方便忽略不同內阻測量儀的差別，那么以繪制電壓曲線族的同樣方法，也可繪制出蓄電池組放電下的內阻曲線族。

　　放電狀態(tài)下的內阻變化規(guī)律不象電壓變化規(guī)律那樣為人熟悉，但經大量研究后公認有以下特點：

　　1)50%荷電率以上變化很小;

　　2)50%荷電率以下快速上升;

　　3)放電終止前，內阻值可能上升為初始內阻值的2～4倍;

　　4)50%荷電率為內阻曲線的拐點，簡稱內阻拐點，可以用二折線法粗略表現一條內阻曲線。

　　這里所述的“荷電率”，定義為單體實存電量與本電池真實容量之比，屬單體變量;另外，定義實放電量與標稱容量之比為“標稱放電深度”，屬全組變量。需注意因二者的定義不同，其數值變化方向相反。這樣在放電過程中，全蓄電池組執(zhí)行了一個統一的標稱放電深度，其數值越放越大，而執(zhí)行中各單體電池的荷電率卻各不相同，其數值越放越小。

　　為了清晰地表達內阻曲線族的變化規(guī)律，特地選擇了一個有代表意義的蓄電池組模型：模型組由3節(jié)標稱容量1000A·h的蓄電池組成，以實際容量1000、800、600A·h分別代表電池組內好、中、壞3種典型類型，其浮充內阻分別為0.20mΩ、0.20mΩ、0.27mΩ。請注意1000A·h與800A·h的內阻都等于0.20mΩ，這一數值既肯定獲有實測數據的支持，也在刻意提示滿電下的內阻分布確實存在與“內阻大容量小”相關性規(guī)律不符的例外。再假設放電終止內阻為初始內阻的3倍，圖2是按以上參數用二折線法繪制的內阻曲線族。

　　圖2中每條曲線都以100%真實荷電率和初始內阻值為起點，以0%真實荷電率和初始內阻的3倍值為終點，而以50%真實荷電率和初始內阻的略大值為拐點。實測經驗表明，用二折線法繪制的內阻變化曲線與真實數據之間的誤差，不會影響本文的分析結果。

　　內阻曲線族的實用意義比電壓曲線族大很多，實用意義大的關鍵在于具有實時可比性：因為在電壓曲線族中，有比較意義的是各電池到達終止電壓的時間，在圖1中表現為拐點之間的水平間距。而在內阻曲線族中，有比較意義的是不同放電深度下的不同內阻值，在圖2中表現為某水平值下曲線之間的垂直間距。在測量方法上，前者必須連續(xù)不間斷地采樣計時，而后者只需在指定時間一次采樣，特別是后者在不同時間下的各組采樣值具有非常有用的比對價值，即實時可比性。

　　如果說內阻曲線族還不夠直觀，可以借鑒圖象處理的思路，引入內阻分布“反差”的概念，反差是一種可計算的單一實時變量。反差概念的引入，將賦予內阻曲線族比電壓曲線族更為積極的學術意義和實用價值。

　　3 電池組放電下內阻分布的反差曲線

　　在圖象處理中，反差大意味著圖象“鮮明”，反差小意味著圖象“混沌”。同樣，就電池檢測的目的而言，反差大意味著內阻分布“鮮明”，這必然意味著判別準確率的提高。

　　可以把內阻反差Fcr定義為：

　　Fcr=(Rmax-Rmin)/Rmin(1)

　　式中：Rmax為內阻分布中的最大值;

　　Rmin為內阻分布中的最小值。

　　那么根據圖2粗略計算從0%標稱放電深度到60%標稱放電深度的各點反差數值列于表1，圖3為依據表1數據繪出的Fcr單一曲線，其中表1數據和圖3曲線都停止于60%標稱放電深度，原因是模型組中的600A·h單體已達過放點，其真實荷電率已經等于0%。

　　表1 Fcr逐點計算表

　　圖3所示的單一Fcr曲線比內阻曲線族更加直觀的反映了放電深度與內阻反差之間的對應規(guī)律：當放電深度超過最小真實容量單體的50%(本例已放300A·h)以后，Fcr開始迅速增大，并通常在標稱放電深度的50%(已放500A·h)處達到最大值。

　　另外從圖3可以看出，若以足夠判別使用的Fcr值(例如Fcr=1.0)為邊界條件，放電深度的滿足范圍大大放松，這意味著完全不需要精確控制放電深度;換句話說，在達到一定反差之后，放電深度的大小只影響反差，而不降低準確率。

　　最后從圖3還可以看出，增強反差后的Fcr所包括的所有放電深度仍離過放區(qū)很遠，這是半荷法比容量放電法安全的科學依據。

　　4 半荷內阻法及判別準確率

　　單從放電內阻曲線族出發(fā)，至少可以設計出2種新的測試方法。

　　4.1 第一種可稱為“內阻計時法”

　　該方法的思路和容量放電法類似，只不過由對電壓拐點(即終止電壓)的監(jiān)測計時，改為對內阻拐點的監(jiān)測計時，由于電壓拐點對內阻拐點存在2倍的依存關系，把內阻拐點的計時值簡單乘以2，就可方便地推算出真實容量。

　　該方法的優(yōu)點是：比容量放電法安全，比浮充內阻法準確。

　　該方法的缺點是：

　　1)內阻監(jiān)測點不易把握，而監(jiān)測點不準依然會造成誤差過大甚至誤判;

　　2)仍然需要對內阻拐點進行連續(xù)監(jiān)測和計時，也就是說，需要研制專門的內阻監(jiān)測計時儀器。

　　以上2個缺點都需要在獲取大量實測數據后方可完善，本文不再深入討論。

　　4.2 第二種是“半荷內阻法”

　　該方法的思路是：在電池組粗略地執(zhí)行半荷放電后，對各單體電池作普通巡采，再依內阻大小作出判斷。

　　從測試流程來看，半荷內阻法僅僅增加了半荷放電，其他操作方法和要求與浮充內阻法完全相同。以下分析是哪些因素提高了半荷內阻法的判別準確率：

　　1)加大了內阻反差增強后的反差使檢測更加容易，也使判讀更加可信?？尚蜗蟮匕寻牒煞烹娎斫鉃槟z片照相技術中的“顯影”過程，顯然，充分顯影的照片圖象最清晰。

　　2)對內阻有效排序反差小還不算致命弱點，適當提高儀表分辨能力就可以克服;但浮充內阻客觀存在的部分無序性，是造成混亂和誤判的根源，這種缺陷無法靠簡單提高儀表的分辨能力來彌補。半荷放電使內阻值正確排序，有效糾正浮充內阻的初期無序性，是提高判別準確率的關鍵因素。

　　3)與真實容量緊密掛鉤蓄電池維護專業(yè)最最關心的是蓄電池的真實容量，越能反映真實容量的方法越可靠。浮充內阻與真實容量的關系可概括為：“高度相關但確有例外”，其判別準確率欠佳很容易理解。而內阻拐點客觀存在于真實容量的50%點，已經最大限度地與真實容量掛鉤。應該說，正確排序及與真實容量的直接掛鉤這二點成為半荷內阻法最誘人之處。

　　4)減小非化學內阻的影響電池等效內阻是所有電化學內阻和非化學內阻的等效總和，非化學內阻也攜帶有重要信息(如內匯流條融焊缺陷、或腐蝕裂縫等)，卻和真實容量無關，由此對正確提取容量信息造成很大困難，這也是浮充內阻形成初期無序性的主要根源。在現有儀表尚不能分離不同內阻的客觀前提下，半荷放電可顯著改善電化學內阻對非化學內阻的比例關系，這點對提高判別準確率有重要貢獻。

　　半荷內阻法在本質上僅僅是把測試工作點由浮充滿荷點改變到半荷點，這個在選擇工作點上的一小步改進，帶來以上4點很實惠的指標改善，最終獲得判別準確率上的一大飛躍。

　　從國內外大量實測數據看，無論采用哪種原理或哪家儀表，浮充內阻法的單體準確率普遍停留在90%左右難以突破，加上單節(jié)誤判須算全組誤判的行業(yè)判則(木桶判則)，整組準確率一般也就在80%左右，考慮到后備蓄電池組的重要性，這樣的準確率難以信賴應屬正常合理。

　　半荷內阻法恰倒好處地糾正了這約20%的誤判，實現了長期苦苦追尋的、達到或超過容量放電法準確率的目標。以上結論已有初步實驗驗證。

　　5 半荷內阻法實用關鍵問題探討

　　半荷內阻法進入實用以前，明顯還有許多實際問題需要探討解決。

　　5.1 適用約束條件

　　半荷內阻法很自然的要求以下約束條件：

　　1)正常而規(guī)范運行的蓄電池組，包括符合安裝規(guī)范和維護規(guī)范;

　　2)保證放電起始點為充分浮充以確保滿電;

　　3)內阻儀表具有夠用的測量精度和良好的在線抗

　　干擾能力;

　　4)有另外的輔助監(jiān)測手段(如電壓)以預防單體過放。

　　這些約束條件完全與正常的維護規(guī)范相一致，并無特別之處。強調約束條件無非是想提請注意：任何超越以上條件的測試，都可能超越半荷法的適用范圍，產生與本文不符的未知結果。

　　5.2 放電深度的選擇

　　可以追求最大反差(準確率最可信)的目標，也可以追求最小放電深度(測試時間最短)的目標，關鍵是滿足維護需求和不斷總結完善?？桃庾非蠓烹娚疃葹榱?甚至固執(zhí)到認為只要放電就沒有新價值的思維方式都極不科學。

　　在此，需要理性地思考“與真實容量掛鉤”的真正含義：在真實容量為未知數的條件下，不放電等于不掛鉤，也就是說必須靠多少放出一些電量才能構建二者的函數關系，在計算公式中才能出現真實容量的數學因子。

　　更不應該以半荷法離不開放電的理由而忽視與容量放電法的本質區(qū)別：容量放電法在理論上要求把至少一節(jié)蓄電池放電到過放臨界點，已經有損蓄電池組安全;而半荷放電法在理論上總是遠離過放危險區(qū)，還可保留部分電量以備不時之需。

　　5.3 放電深度的執(zhí)行

　　放電電流可大可小，可使用專用負載，也可切斷交流供電使用真實負載;電量計算可以人工計時，也可采用電壓自動監(jiān)測;總之，對放電計量沒有精度要求，條件極為寬松。在驗證實驗中，曾以監(jiān)測單體蓄電池電壓小于2.00V來把握放電深度，準確率已很理想。特別需要指出一點：最佳方案應該是結合原有規(guī)程中的“定期維護性放電制度”，不增加工作量，也無須修訂規(guī)程，只需附帶補充一項測試，就可以收到事半功倍的效果。

　　5.4 儀表的精度要求

　　反差的加大降低了對儀表精度的要求，這就是說現有儀表完全夠用;一臺能在浮充內阻測試中表現較好的內阻測試儀(注意：僅僅判別準確率欠佳絕非儀表本身之過)，應該足以勝任半荷內阻法的測試任務，無論它原來是哪種原理或哪家品牌。

　　6 從蓄電池組的壓阻曲線族看蓄電池檢測技術的演變

　　蓄電池組放電的內阻曲線族為我們補充了以前所不熟悉的一部分知識，新知識可以帶來新技術的突破，以后的電池說明書應該增加內阻曲線的數據和圖表。如果把圖1的電壓曲線族和圖2的內阻曲線族合二而一，組成新的“壓阻曲線族”如圖4所示，則會帶來關于電池的更完整的知識。

　　有趣的是還能夠從壓阻曲線族上看到電池測試技術的演變軌跡，由此也可加深對半荷內阻法本質的理解：

　　1)最古老的開路電壓法，位于電壓曲線的左起點，必須加附測酸配合;

　　2)因密封電池無法測酸而不得不器重的容量放電法，位于電壓曲線的右半部，必須連續(xù)監(jiān)測;

　　3)試圖縮短測試時間的快速容量測試法，位于電壓曲線的左半部，意在通過大電流大斜率，外延推算電壓拐點，終因電壓反差小、缺少準確度而流產;

　　4)另辟蹊徑的浮充內阻法，位于內阻曲線的左起點，方便實用，卻因初始內阻反差小、且無法克服10%的誤判而始

　　終難以完全信賴;

　　5)本文的半荷內阻法，恰當占據了內阻曲線族中部的寬廣區(qū)域，直觀展現其數據反差大，準確率高，適應范圍寬，操作安全等優(yōu)點。

　　7 結語

　　內阻數據是蓄電池非常寶貴的一項信息資源。密封蓄電池可看作物理學上的黑匣子，黑匣子上的兩極柱僅僅能提供電壓和內阻兩個獨立的電學物理參數，其中內阻比電壓更加反映蓄電池內部的真實狀況，這樣寶貴的資源卻至今遲遲未能得到合理的開發(fā)和利用。半荷內阻法對此作了大膽嘗試，其核心是以主動放出部分電量為代價，換取內阻反差的“拉開和排序”，以獲得滿意的判別準確率，希望本文的論題能為蓄電池安全檢測開辟一條新的學術思路有所助益。