電池的損傷機(jī)理與故障預(yù)警

電池組的均充與放電，類同于板簧的全負(fù)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(fù)荷加載下的局部過載（即應(yīng)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(kuò)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(kuò)大導(dǎo)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(yīng)歸類于一種“斷裂型”模型，如果缺少合適的預(yù)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(yù)知性。

2 損傷留痕

損傷留痕是電池?fù)p傷理論解決工程應(yīng)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(fù)測量，可相互比較的是顯性損傷留痕，無法直接重復(fù)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(yù)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(yù)警參數(shù)。

2.1 關(guān)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(jīng)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(yīng)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(dāng)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(jié)果，但容量測量極不方便，故不具備作為預(yù)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(xué)電動勢，而化學(xué)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(guān)。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(nèi)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(xué)電動勢，屬恒定不變的自然常量，完全與損傷無關(guān)。

2.1.4 內(nèi)阻變化

這是當(dāng)前最為活躍的研究方向，說明內(nèi)阻在電池故障預(yù)警技術(shù)中的地位正在日益受到重視。已進(jìn)行了大量研究，少量產(chǎn)品已經(jīng)問世，也積累了相當(dāng)多的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上總結(jié)內(nèi)阻與電池?fù)p傷的關(guān)系，有以下2個顯著特點：

1)電池受損后內(nèi)阻永久性增大，相對其他物理量變化更加易于重復(fù)測量；

2)重復(fù)受損的內(nèi)阻增量可重復(fù)疊加，因而具有可互相比較性。

因此，選擇內(nèi)阻作為預(yù)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(qiáng)干擾下能測量微小內(nèi)阻和更微小的內(nèi)阻增量的高精度儀表也存在許多技術(shù)上的困難。

2.2 傳統(tǒng)誤區(qū)

在選擇內(nèi)阻作為預(yù)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(nèi)部耗能參數(shù)的內(nèi)阻混為一談

作為內(nèi)部耗能參數(shù)的內(nèi)阻與作為損傷留痕的內(nèi)阻是兩個完全不同的概念。

內(nèi)阻作為電池內(nèi)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(nèi)部產(chǎn)生熱量，大多數(shù)專業(yè)人士都有這樣的深刻印象：除了內(nèi)阻增大到影響電池供能外，大部分情況下電池極小的內(nèi)阻對供能的影響微不足道。定量來說一個1mΩ內(nèi)阻的電池供出10A電流，僅造成10mV端壓降與0.1W內(nèi)部發(fā)熱，即使上例內(nèi)阻從1mΩ增加到2mΩ，其內(nèi)部損耗也只造成20mV的端壓降和0.2W的內(nèi)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(nèi)阻作為預(yù)警參數(shù)打上問號。

但是從電池?fù)p傷理論的角度來看，電池內(nèi)阻從1mΩ增大到2mΩ可是一個大事件，足以判定電池嚴(yán)重?fù)p傷應(yīng)該報廢，報廢的理由不是因為內(nèi)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(nèi)阻計算容量

內(nèi)阻確實與容量存在高度相關(guān)性，但多項研究認(rèn)定，由于工藝、材料、溫度等各種因素，內(nèi)阻與容量之間不存在確定的數(shù)學(xué)關(guān)系。更何況僅內(nèi)部匯流條腐蝕導(dǎo)致物理內(nèi)阻增加且肯定與容量無關(guān)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(xí)慣性聯(lián)想。

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

2.3 技術(shù)難題

內(nèi)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(dǎo)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(yù)警技術(shù)，還面臨許多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。因技術(shù)細(xì)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(nèi)阻，即在電池組與電源設(shè)備共同工作且處于值班狀態(tài)下測量內(nèi)阻，是電池故障預(yù)警技術(shù)的一項基本要求。大容量電池的內(nèi)阻很小，基本上處于4線交流法測量的下限，內(nèi)阻增量比被測內(nèi)阻本身還要小將近一個數(shù)量級，電源設(shè)備運行中的工頻紋波，開關(guān)噪聲，特別是強(qiáng)大的共地串?dāng)_，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(dāng)干擾的不確定跳動大于內(nèi)阻增量時，測量數(shù)據(jù)將失去分析價值。