活線短時間大電流電池檢測原理

檢測步驟與原理

 

UPS現場使用電池活線實載放電裕度檢測,不同於電池生產線將電池離線時個別作短時間大電流放電檢測,UPS現場使用之新型短時間大電流放電檢測技術,是在電池在線浮充的狀態下直接實施檢測,如何可以排除充電機浮充電壓的影響,以下說明其原理。

圖左側鉛蓄電池等效電路模型,E為電池希硫酸電解液與正負極板反應產生的化學電壓(起電力),C為電池正負極板推疊與電解液構成類似電解電容的等效電容,電阻r為電池電化學反應對電容(正負極板)充電時的內部極板導電阻抗,電阻R為自極板經匯流排到極柱再由端子輸出的電流導通阻抗。活線短時間放電檢測過程,可細分為6個步驟說明其原理。

 

STEP 1. 浮充電壓檢測

電池在線上浮充時,充電機總充電電壓被調高,每顆電池的浮充電壓就變高。反之,調低時電池的浮充電壓就變低。如圖左側等效電路,電池浮充電壓VB,是充電器分配到電池的電壓,電壓越高在電池等效電容C上累積電荷越多,從電容的角度來看,電容的累積電荷越高形成的表象電壓(電池浮充端電壓) VB就越高。

電池的浮充電壓VB,並不等於電池內部的化學電壓(起電力)E。換言之,電池端電壓VB的高低受充電器電壓影響,無法由電池端電壓VB高低有效推估電池的內部化學反應電壓(起電力)E,僅能作為電池組中每顆電池充電均衡性、及極端嚴重電池短路之參考。

 

 

充電機總電壓調高 → 電池浮充電壓VB變高

充電機總電壓調低 → 電池浮充電壓VB變低

 

電池浮充電壓VB = 充電器分配到電池的充電電壓

電池浮充電壓VB = 電池內等效電容C上累積電荷形成的表象電壓

 

電池浮充電壓VB ≠ 電池內部的化學電壓(起電力)E

                                                                              放電前浮充階段

 

 

STEP 2. 電容累積電荷放電

如圖左側等效電路說明圖,當測試儀器與浮充中的電池端子搭接構成迴路,對受測電池開始作定電流放電測試時,電容急速釋出電荷,造成如圖右側電池端子電壓急遽下降,此階段為電容電荷放電階段。

電容電荷放電階段

 

STEP 3. 電池化學反應供應電流電壓

當上述電容放電至電容電壓低於電池化學電壓時,如圖左側等效電路說明圖,開始由電池的電化學反應,提供測試儀器電流,此時如圖右側出現電壓平台,電池實際反應供應測試電流並將電壓維持住,此時平台電壓為電池定電流實載放電時之電池端電壓,VB1為放電中止前平台最後電壓。此階段放電平台之出現,代表測試數據之有效性。若放電時間過短或放電電流過小,無法有效將電容電荷排出,放電測試結束時電池仍在電容C放電階段,將僅出現step2之電容放電曲線,如圖右側之電池電化學反應供電電壓平台將不會出現,此種電容放電不完全狀態無法有效評估電池實際放電能力。換言之,測試時放電量(放電電流與時間乘積)需足以將電容電荷有效排出,讓電池內部反應物真正起化學反應供電,才能有效實際測試停電時真正電池電化學反應的供電能力。

                                                                              電池化學反應供應電流電壓階段

 

STEP 4. 放電截止電容充電

當上述放電平台出現後,如圖左側等效電路說明圖,測試設備瞬間停止放電,電池瞬間由有載轉為無載,此時電池內部化學反應電壓E高於電容電壓,內部化學反應瞬間對電容充電,電池端電壓自VB1急遽上升,當電容電壓被充電至與化學電壓E相同時,即出現轉折點VB2電壓,此時VB2為電池無載電壓,理論上VB2與電池內部化學電壓E的電壓值一樣。

                                                            放電截止電容充電階段

 

STEP 5. 浮充恢復

電池內部化學反應對電容充電完成後,如圖左側等效電路說明圖,由於充電器對電池浮充時,微小的浮充電流又緩緩地對電容充電累積電荷,所以電池端電壓自VB2緩慢上升,經過一段時間後,又會回復到浮充電壓VB。

                                                             浮充恢復階段

 

 

STEP 6. 內阻分析

與所有電阻計相同,利用歐姆定律,由測試電流與電壓的關係計算出電阻一樣,如式(1)將無載電壓VB2減去有載電壓後除以測試電流Id得到電池總內阻值。

(VB2- VB1)/Id = (r+R)…………………(1)