電池的損傷機(jī)理與故障預(yù)警

0 引言

電池組突發(fā)失效是后備供電系統(tǒng)中的一大安全隱患，如何預(yù)防電池組突發(fā)失效是電池維護(hù)技術(shù)中具有挑戰(zhàn)性的課題。目前，電池組突發(fā)失效所呈現(xiàn)出的不可預(yù)知性成為了研究電池故障預(yù)警技術(shù)的原動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)電池故障預(yù)警的關(guān)鍵是尋找最佳預(yù)警參數(shù)，顯然，最佳預(yù)警參數(shù)需要具備以下3個(gè)特點(diǎn)，即與電池故障的高度相關(guān)性，可重復(fù)測(cè)量性，可比較性。

電池老化理論是指導(dǎo)電池設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)的理論基礎(chǔ)，但老化理論的研究對(duì)象主要針對(duì)電池的整體性，而電池故障卻主要基于電池的差異性，因此，電池老化理論并不適用于電池突發(fā)失效的分析研究，這種不適用突出表現(xiàn)在各種電池故障預(yù)警方案的思路上?，F(xiàn)有的各種工程實(shí)用方案，無論是單體電壓方案或回路電流＋單體電壓方案，還是大電流放電方案或快速容量測(cè)試方案，都無不隱含著以電池容量作為預(yù)警參數(shù)，而實(shí)際上電池容量既不具備直接重復(fù)測(cè)量性（如定期容量放電試驗(yàn)），也不具備間接重復(fù)測(cè)量性（如通過測(cè)量端電壓或內(nèi)阻計(jì)算容量）。為擺脫電池老化理論對(duì)電池預(yù)警思路的束縛，迫切需要從新的角度重新審視電池安全對(duì)策，以期建立尋找最佳預(yù)警參數(shù)的理論依據(jù)，這就是電池損傷理論需要解決的課題。

1 電池損傷機(jī)理

1.1 電池損傷定義

解讀“過充或過放對(duì)電池有害”的常見警告，可進(jìn)一步科學(xué)化為：過充或過放電流將造成儲(chǔ)能反應(yīng)外的不可逆的電化學(xué)反應(yīng)，這種設(shè)計(jì)外的不可逆反應(yīng)必將損害電池的原有結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能能力。由此可對(duì)電池?fù)p傷作如下定義：“過充過放下對(duì)電池結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能能力所造成的不能自然復(fù)原的損害”。

表面上看，這一定義與電池老化理論和電池應(yīng)用常識(shí)并無明顯不同，但是，該定義將自然引發(fā)出2個(gè)真正有意義的問題：

1）工程實(shí)用中一個(gè)完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)避免電池?fù)p傷嗎？

2）電池?fù)p傷發(fā)生后，電池中留下了什么樣的可重復(fù)測(cè)量的，可相互比較的物理量變化？

1.2 “完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)”定義

電池故障可能起源于人為失誤，也可能起源于設(shè)備故障，這些原因都不是電池?fù)p傷理論的研究對(duì)象，電池?fù)p傷理論更加關(guān)注電池自身故障的不可避免性。

為把各種非關(guān)注因素排除在外，首先需要定義一個(gè)“完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)”。一個(gè)完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)至少應(yīng)包括：一個(gè)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都完全合格的真實(shí)電源設(shè)備，一組由單體完全合格并按規(guī)程連接好的真實(shí)電池組，有合格的管理維護(hù)人員在執(zhí)行一個(gè)嚴(yán)格的維護(hù)規(guī)程，總之這應(yīng)是一個(gè)無可挑剔，但又是現(xiàn)實(shí)存在的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。

那么，有了這樣一個(gè)完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)還會(huì)發(fā)生電池?fù)p傷嗎？

1.3 電池組中的局部單體過充過放（單體微損傷）

一個(gè)電池組各單體之間在容量上必然存在著微小的差異，為方便分析與計(jì)算假設(shè)一個(gè)具有下列技術(shù)指標(biāo)的特例：

1）電池組參數(shù) 100節(jié)×2V，標(biāo)稱容量100A·h，其中1節(jié)實(shí)際容量為97A·h，其余99節(jié)實(shí)際容量均為100A·h；

2）電源設(shè)備參數(shù) 常規(guī)的電壓閉環(huán)控制方式，其中均充浮充轉(zhuǎn)換的整定電壓=240.00V（執(zhí)行誤差=0，單體=2.400V），放電終止的整定電壓=170.00V（執(zhí)行誤差=0，單體=1.700V）。

該系統(tǒng)在均充與放電之間運(yùn)行時(shí)，必然出現(xiàn)兩個(gè)特殊時(shí)間段，即

(1)在均充運(yùn)行下將出現(xiàn)第1個(gè)特殊時(shí)間段，其起點(diǎn)時(shí)間為97A·h電池單體電壓>2.400V，而總電壓240.00V（此時(shí)電源設(shè)備將繼續(xù)充電），其終點(diǎn)時(shí)間為總電壓=240.00V（這時(shí)電源設(shè)備準(zhǔn)確執(zhí)行均充浮充切換）。

根據(jù)電池?fù)p傷的定義，97A·h電池在該特殊時(shí)間段運(yùn)行于過充狀態(tài)，而其它99節(jié)100A·h電池運(yùn)行于安全范圍內(nèi)。

(2)在放電運(yùn)行下將出現(xiàn)第2個(gè)特殊時(shí)間段，其起點(diǎn)時(shí)間為97A·h電池單體電壓1.700V，而總電壓>170.00V（此時(shí)電源設(shè)備將繼續(xù)放電），其終點(diǎn)時(shí)間為總電壓=170.00V（這時(shí)電池組終止放電）。

在這個(gè)特殊時(shí)間段97A·h的電池運(yùn)行于過放狀態(tài)，其余99節(jié)100A·h電池依然運(yùn)行于安全范圍內(nèi)。

這兩個(gè)特殊時(shí)間段的客觀存在，勢(shì)必產(chǎn)生下述問題，即

（1）真實(shí)系統(tǒng)與本例的差別無非是容量差的大小，而容量差的大小只改變特殊時(shí)間段的長(zhǎng)短，并不影響特殊時(shí)間段的存在；本例說明電池組確實(shí)無一例外地存在內(nèi)在的安全隱患，說明了電池?fù)p傷與電池突發(fā)事故之間存在必然的內(nèi)在聯(lián)系。

（2）完好的設(shè)備，準(zhǔn)確的控制并不能防止電池?fù)p傷的發(fā)生，只不過這種個(gè)別電池過充過放被掩蓋在整體安全運(yùn)行之下，定量來說，損傷比例只占1％，損傷時(shí)間不足3％。

（3）當(dāng)然，一次1％的損傷比例，或者3％的損傷時(shí)間不足以對(duì)整個(gè)后備供電系統(tǒng)的安全構(gòu)成威脅，充其量只能算一次微損傷，但只要在后備供電系統(tǒng)運(yùn)行中重復(fù)均充與放電，就會(huì)重復(fù)這種微損傷過程。換句話說，微損傷過程實(shí)際充斥于后備供電系統(tǒng)運(yùn)行的全過程。

（4）微損傷起源于電池參數(shù)的差異性，一次微損傷的后果是電池原有結(jié)構(gòu)的損害和儲(chǔ)能能力的下降，這將進(jìn)一步加大電池的單體差異，這一后果又成為下一次微損傷的起因，顯然這里存在一個(gè)互為因果關(guān)系的惡性循環(huán)，由此可以合理推論：電池?fù)p傷的后果在一次次微損傷過程中不斷加深，直至電池徹底失效，失效過程的延續(xù)時(shí)間可能隨運(yùn)行條件而變，但一定存在經(jīng)多次損傷后加速惡化直至失效的必然結(jié)果。

1.4 力學(xué)斷裂模型的類比

為了形象理解屬于電學(xué)領(lǐng)域的電池組由微損傷導(dǎo)致突發(fā)失效的機(jī)理，可以用力學(xué)領(lǐng)域的斷裂模型作一簡(jiǎn)單類比：

一個(gè)電池組，類同于一個(gè)力學(xué)中的彈簧鋼板（板簧）；

電池組中各電池參數(shù)的差異性，類同于板簧截面的不均勻性；