電池的損傷機理與故障預警

0 引言

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

電池老化理論是指導電池設計、制造和改進(jìn)的理論基礎，但老化理論的研究對象主要針對電池的整體性，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在各種電池故障預警方案的思路上?，F有的各種工程實(shí)用方案，無(wú)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試方案，都無(wú)不隱含著(zhù)以電池容量作為預警參數，而實(shí)際上電池容量既不具備直接重復測量性（如定期容量放電試驗），也不具備間接重復測量性（如通過(guò)測量端電壓或內阻計算容量）。為擺脫電池老化理論對電池預警思路的束縛，迫切需要從新的角度重新審視電池安全對策，以期建立尋找最佳預警參數的理論依據，這就是電池損傷理論需要解決的課題。

1 電池損傷機理

1.1 電池損傷定義

解讀“過(guò)充或過(guò)放對電池有害”的常見(jiàn)警告，可進(jìn)一步科學(xué)化為：過(guò)充或過(guò)放電流將造成儲能反應外的不可逆的電化學(xué)反應，這種設計外的不可逆反應必將損害電池的原有結構和儲能能力。由此可對電池損傷作如下定義：“過(guò)充過(guò)放下對電池結構和儲能能力所造成的不能自然復原的損害”。

表面上看，這一定義與電池老化理論和電池應用常識并無(wú)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(wèn)題：

1）工程實(shí)用中一個(gè)完好的現有標準系統會(huì )避免電池損傷嗎？

2）電池損傷發(fā)生后，電池中留下了什么樣的可重復測量的，可相互比較的物理量變化？

1.2 “完好的現有標準系統”定義

電池故障可能起源于人為失誤，也可能起源于設備故障，這些原因都不是電池損傷理論的研究對象，電池損傷理論更加關(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)“完好的現有標準系統”。一個(gè)完好的現有標準系統至少應包括：一個(gè)各項技術(shù)指標都完全合格的真實(shí)電源設備，一組由單體完全合格并按規程連接好的真實(shí)電池組，有合格的管理維護人員在執行一個(gè)嚴格的維護規程，總之這應是一個(gè)無(wú)可挑剔，但又是現實(shí)存在的標準系統。

那么，有了這樣一個(gè)完好的現有標準系統還會(huì )發(fā)生電池損傷嗎？

1.3 電池組中的局部單體過(guò)充過(guò)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(zhù)微小的差異，為方便分析與計算假設一個(gè)具有下列技術(shù)指標的特例：

1）電池組參數 100節×2V，標稱(chēng)容量100A·h，其中1節實(shí)際容量為97A·h，其余99節實(shí)際容量均為100A·h；

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

該系統在均充與放電之間運行時(shí)，必然出現兩個(gè)特殊時(shí)間段，即

(1)在均充運行下將出現第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)電源設備將繼續充電），其終點(diǎn)時(shí)間為總電壓=240.00V（這時(shí)電源設備準確執行均充浮充切換）。

根據電池損傷的定義，97A·h電池在該特殊時(shí)間段運行于過(guò)充狀態(tài)，而其它99節100A·h電池運行于安全范圍內。

(2)在放電運行下將出現第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)電源設備將繼續放電），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的電池運行于過(guò)放狀態(tài)，其余99節100A·h電池依然運行于安全范圍內。

這兩個(gè)特殊時(shí)間段的客觀(guān)存在，勢必產(chǎn)生下述問(wèn)題，即

（1）真實(shí)系統與本例的差別無(wú)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(cháng)短，并不影響特殊時(shí)間段的存在；本例說(shuō)明電池組確實(shí)無(wú)一例外地存在內在的安全隱患，說(shuō)明了電池損傷與電池突發(fā)事故之間存在必然的內在聯(lián)系。

（2）完好的設備，準確的控制并不能防止電池損傷的發(fā)生，只不過(guò)這種個(gè)別電池過(guò)充過(guò)放被掩蓋在整體安全運行之下，定量來(lái)說(shuō)，損傷比例只占1％，損傷時(shí)間不足3％。

（3）當然，一次1％的損傷比例，或者3％的損傷時(shí)間不足以對整個(gè)后備供電系統的安全構成威脅，充其量只能算一次微損傷，但只要在后備供電系統運行中重復均充與放電，就會(huì )重復這種微損傷過(guò)程。換句話(huà)說(shuō)，微損傷過(guò)程實(shí)際充斥于后備供電系統運行的全過(guò)程。

（4）微損傷起源于電池參數的差異性，一次微損傷的后果是電池原有結構的損害和儲能能力的下降，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：電池損傷的后果在一次次微損傷過(guò)程中不斷加深，直至電池徹底失效，失效過(guò)程的延續時(shí)間可能隨運行條件而變，但一定存在經(jīng)多次損傷后加速惡化直至失效的必然結果。

1.4 力學(xué)斷裂模型的類(lèi)比

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

一個(gè)電池組，類(lèi)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的差異性，類(lèi)同于板簧截面的不均勻性；