電池的損傷機理與故障預警

電池組的均充與放電，類同于板簧的全負荷加載；

單體的充放電電壓與極限充放電電壓之比，類同于板簧某截面上實際載荷與極限載荷相比的過載系數(shù)。

這樣，電池組中的局部過充過放，類同于板簧全負荷加載下的局部過載（即應力集中）；

電池組中的局部過充過放所造成的微損傷，類同于板簧局部過載下的微裂痕；

受損電池的損傷逐次疊加，類同于受傷板簧的裂痕逐步擴大；

最后，因單體失效造成的電池組突發(fā)失效，類同于微裂痕逐步擴大導致板簧的突然斷裂。

以上類比從總體上反映出電池組的突發(fā)失效應歸類于一種“斷裂型”模型，如果缺少合適的預警手段，電池組的這種“斷裂型”失效的發(fā)生時間，將與板簧突然斷裂的發(fā)生時間一樣具有不可預知性。

2 損傷留痕

損傷留痕是電池損傷理論解決工程應用的一個重要新概念。電池受損所致的各種物理量變化中可重復測量，可相互比較的是顯性損傷留痕，無法直接重復測量的是隱形損傷留痕。顯然，顯性損傷留痕的特征與本文引言中所述的最佳預警參數(shù)的3個特征完全相同，因此，找到了顯性損傷留痕也就等于找到了最佳預警參數(shù)。

2.1 關于微損傷后主要物理量變化特點的討論

2.1.1 溫度變化

理論與經驗都表明，過充過放中的非正常電流將引起電池短時發(fā)熱，但局部過充過放有終點時間，此后電池溫度將會趨于正常。因此，盡管溫度升高一定對應于電池不正常，但熱量會散發(fā)，溫度不能永久保留不變。

2.1.2 容量變化

電池受損后必然造成容量永久性下降，這已成為當前流行的思維模式，但是，容量是一個難以測量的隱性物理量，除了直接放電校核方法外，至今并未找到一種迅速可靠的間接測量方法。因此，容量下降是電池受損的結果，但容量測量極不方便，故不具備作為預警參數(shù)的實用價值。

2.1.3 端壓變化

開路狀態(tài)下的端電壓等于化學電動勢，而化學電動勢是一種不變的自然常量，測量開路電壓無法判別電池好壞已屬常識。而閉路電壓與電池主電流有關。在同一主電流下監(jiān)測到的閉路電壓異常，實際上還是屬于內阻異常，監(jiān)測端壓僅在主電流很大時有效，在大部時間里的浮充電壓下主電流很小，且不確定。故這種方法基本無效。因此，單體端電壓監(jiān)測僅在大電流下有效，浮充下基本無效，根本原因在于開路電壓為化學電動勢，屬恒定不變的自然常量，完全與損傷無關。

2.1.4 內阻變化

這是當前最為活躍的研究方向，說明內阻在電池故障預警技術中的地位正在日益受到重視。已進行了大量研究，少量產品已經問世，也積累了相當多的數(shù)據(jù)，在此基礎上總結內阻與電池損傷的關系，有以下2個顯著特點：

1)電池受損后內阻永久性增大，相對其他物理量變化更加易于重復測量；

2)重復受損的內阻增量可重復疊加，因而具有可互相比較性。

因此，選擇內阻作為預警參數(shù)的優(yōu)點勿庸置疑，但一些傳統(tǒng)誤區(qū)增加了推廣難度，而研發(fā)在線強干擾下能測量微小內阻和更微小的內阻增量的高精度儀表也存在許多技術上的困難。

2.2 傳統(tǒng)誤區(qū)

在選擇內阻作為預警參數(shù)上，囿于傳統(tǒng)思維或老化理論，存在著2個誤區(qū)。

2.2.1 誤區(qū)1——易于與作為內部耗能參數(shù)的內阻混為一談

作為內部耗能參數(shù)的內阻與作為損傷留痕的內阻是兩個完全不同的概念。

內阻作為電池內部耗能參數(shù)，在電池供出電流時，將在電池外部造成端電壓的下降，并在內部產生熱量，大多數(shù)專業(yè)人士都有這樣的深刻印象：除了內阻增大到影響電池供能外，大部分情況下電池極小的內阻對供能的影響微不足道。定量來說一個1mΩ內阻的電池供出10A電流，僅造成10mV端壓降與0.1W內部發(fā)熱，即使上例內阻從1mΩ增加到2mΩ，其內部損耗也只造成20mV的端壓降和0.2W的內部發(fā)熱，依然停留在可以忽略不計的水平，從這個角度出發(fā)無疑會對選擇內阻作為預警參數(shù)打上問號。

但是從電池損傷理論的角度來看，電池內阻從1mΩ增大到2mΩ可是一個大事件，足以判定電池嚴重損傷應該報廢，報廢的理由不是因為內阻損耗影響了電池供能，而是間接說明該電池已成為電池組中的高危“斷裂點”。

2.2.2 誤區(qū)2——試圖由內阻計算容量

內阻確實與容量存在高度相關性，但多項研究認定，由于工藝、材料、溫度等各種因素，內阻與容量之間不存在確定的數(shù)學關系。更何況僅內部匯流條腐蝕導致物理內阻增加且肯定與容量無關一例，已成為計算容量的判決性反證?？梢哉f，這種對容量的依賴只不過是源自老化理論的一種習慣性聯(lián)想。

而從損傷理論來看，內阻與損傷的直接相關性已足夠預警檢測使用，對計算容量的追求實在是多此一舉。

2.3 技術難題

內阻是一個特定的物理量，有許多現(xiàn)成的測量方法可用，在已有知識中，4線交流法能有效克服導線電阻與接觸電阻的不利影響，是測量微小電阻最理想的一種物理方法，但是要把4線交流法發(fā)展成為一種實用的電池故障預警技術，還面臨許多技術上的挑戰(zhàn)。因技術細節(jié)非本文重點，在此僅作簡單評介。

2.3.1 抗在線干擾問題

在線測量內阻，即在電池組與電源設備共同工作且處于值班狀態(tài)下測量內阻，是電池故障預警技術的一項基本要求。大容量電池的內阻很小，基本上處于4線交流法測量的下限，內阻增量比被測內阻本身還要小將近一個數(shù)量級，電源設備運行中的工頻紋波，開關噪聲，特別是強大的共地串擾，將造成很大的測量值跳動，任何抗干擾措施都只能使干擾的不利影響減小，而不能使之消失。當干擾的不確定跳動大于內阻增量時，測量數(shù)據(jù)將失去分析價值。