论蓄电池内阻值的意义

摘要：蓄电池目前广泛应用各行各业中，影响蓄电池的因素有很多，包括环境温度、电磁老化，充放电过程等。本文通过采集一组蓄电池的参数，进行图示法分析和电压电阻公式来阐述蓄电池内阻与电压关系及内阻和电压对电池性能的影响，由图形和公式分析可知，电池电压和电池内阻都能反映电池的优劣程度，其中电池内阻值最能直接反映电池的劣化程度；并且蓄电池在充电和放电不同状态下，电池内阻值存在差异，放电时的内阻值大于浮充时的电阻值，因此只有在电池放电时能够直观反映电池的性能，随着电池内阻的增大，电池容量的放电时间逐渐减小。

关键词：蓄电池；电池内阻；电池电压 中图分类号:TM930 文献标识码：A

1. 背景介绍

蓄电池作为一种可以工作的电力供给，被广泛应用于各种行业之中。数据中心的不间断、电力行业的通讯电源、以及轨道交通中车载电源及地铁站的后备电源，都为不间断运行提供重要能源支持。空管系统的电池主要是UPS的后备电源，为UPS提供不间断电源，因此蓄电池对UPS至关重要。如何发现蓄电池的优劣程度对UPS的正常运行或者电池自身的维护，就需要对蓄电池的电压和内阻进行测试。

1.

电池内阻值与电压的关系

2.1 电池内阻与电压的数学表达式

电池的内阻对电池电压的检测是有一个很重要的影响的，基本的电池内阻值测量公式可以用这样的公式来表示：

（1）

其中V是指电池端电压，Vocv是指电池的开路电压，I是指充放电电流，Rbat指电池内阻。电池的内阻实际上受很多因素的影响，如电池老化、环境温度、电池容量的影响。它是这些变量中一个非常复杂的函数。不同电池的制造商生产的电池内阻的偏差往往很大。所以电池内阻是在生产当中很难把它的偏差控制的很小的一个变量，电池内阻是一个非常难控制的变量，也是非常重要、关键的变量，直接关系到电池容量的放电时间。从公式1中可知，电池端电压主要受电池内阻和充放电电流的影响，电池的充放电可以根据后端负载的大小而确定，因此电池的劣化程度最终由电池内阻值的大小直接反映。如果电池电压已经低于标准设定值，说明电池内阻已经到较高的值，大多数情况下电池的放电性能到了不可逆转的状态。因此，仅通过观测电池电压来判断电池容量的好坏是必要，但是不可靠的。

2.2 蓄电池的内阻及变换原因

蓄电池的容量主要是和极板上活性物质的利用率有关，而蓄电池极板上的活性物质是：二氧化铅、铅。在蓄电池内部的化学反应过程中，其实实质就是极板上的活性物质和硫酸电解溶液发生的化学反应，产生电流。在这个电化学反应过程中，经常伴随着一种学名叫“硫酸盐化的”的负反应。也就是铅和硫酸生成了一种硫酸铅，这种硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对电池的充放电产生不好的影响。因为在负极板上形成的硫酸盐越多，电池内阻越大，电池的可充放电性能越差，负极板上吸收不了正极产生的气体，久而久之电池失效。

蓄电池的内阻是指蓄电池在工作时，电流流过蓄电池内部所受到的阻力，一般分为交流内阻和直流内阻，由于充放电内阻很小，测直流内阻时由于电极容易极化，产生极化内阻，故无法测出真实值，而测其交流内阻可免去极化内阻的影

响，得出真实的内值。下列数据是采集UPS后端的一组电池组的内阻和电压参数，并用电池内阻测试仪测试电池内阻值和电压值来拟合而成的电压电阻关系图。

图1 电池内阻与电压关系图

从图1中可知，电压基本保持不变，电池内阻值变化比较明显。规定电池内阻大于7.5mΩ或者电压低于11.7V为落后电池，那么可以发现，电压保持在规定的范围内，而有7节电池内阻值超过标准值，其为落后电池，因此只观察电池电压不能直接反映电池的劣化程度，内阻值越大，其电池放电容量时间越短。

1.

电池在充放电时的内阻值

电池内阻受到的影响因素多，电池老化、电池容量以及环境温度的影响较大。下图是采集一组UPS电池在浮充和放电时的电池内阻值，均在充电和放电半小时后进行的测量数据。电池内阻受到环境温度影响比较大，当温度升高时，电解液的活度加强，内阻降低；当温度降低时，电解液活度减小，内阻增加。大量的实践和实验数据表明，当温度高于20℃时，电池随温度变化较为平缓。下列数据是在环境温度为24℃时采集的数据，根据相关数据做出的曲线图，如图2所示。

图2 电池在浮充和放电时的内阻值

由图2 的曲线图可以看出，电池在浮充时的电池内阻值低于电池放电时的内阻值，充放电影响电池的内阻，电池在浮充时电池内阻时在逐渐降低的，放电过程内阻逐渐增加。并在实践中发现，并根据实测数据分析可知，通过浮充电压进行电池检测时，检测结果存在一定的误差，甚至有浮充电压放电正常但放电时出现严重故障的情况，在放电过程中测量电池的电压，可以预测电池的容量，而电池浮充电压与容量无明显的相关性，对浮充的电压进行电压检测来预测电池的容量，虽然必要，但也不可靠的。

电池内阻与电池的容量具有明显的相关性，内阻高的电池容量差，可以作为现场快速检测及判断电池好坏的指标。目前市面上的在线系统也通过电池的电压来监控和评估后备电池的健康状态。但是浮充电压只能反映浮充电压器是否正常工作，却不能反映电池的健康状况。当电池容量下降时，浮充电压由于受UPS充电机的控制，很可能依然保持虚高。这就是为什么很多情况下UPS的电压显示正常，而在停电后电池组却快速掉电，无法放电，浮充时电压、内阻参数不能真实反映电池的真实情况。

图3电池使用时间与容量、内阻、电压的关系

电池的开路电压（断开充电机后的电压）能够一定程度上反映电池的容量状态。但是从上图可见，只有当电池容量严重下降时，开路电压才会有明显的变化。而电池内阻的变化则要快的多，在容量下降的中前期，内阻就会有明显的升高，由于电池的内阻与它本身的容量有一定的联系，因此可以利用这个参数来预测电池的性能，内阻比电压更早发现电池劣化。

电池劣化初期及中期浮充电压不会有显著变化，直到电池开路或短路或劣化严重时才可能通过电压检测发现问题，但很可能为时已晚。

1. 总结

电池内阻与自身容量有一定的关系，电池容量的放电时间很难用一个确定的数学关系式表达，虽然电池内阻不能直接用来指示电池的容量，但它时最能直接反映电池性能的一个重要参数，可以做一个警告指示，能够帮助运维人员判断电池劣化程度。目前，都采用在线式的电池监控系统检测电池内阻，但监视系统都是在浮充状态下的电阻值，从上文的分析可以得知，浮充状态下的电池内阻值偏小，不能真实反映电池内阻值，所以需要定期对电池组放电，测试电池内阻，发现电池的劣化程度，而及时更换，以便消除安全隐患。电池浮充电压与容量无明显的相关性，对浮充的电压进行电压检测来预测电池的容量，虽然必要，但也不可靠的。可以改进电池的监控系统，如充电管理、智能故障预测逻辑等，建立各种电池故障模型，对电磁故障进行预测，提前消除故障隐患，从根本上保障电池可用。