电池的损伤机理与故障预警

0 引言

电池组突发失效是后备供电系统中的一大安全隐患，如何预防电池组突发失效是电池维护技术中具有挑战性的课题。目前，电池组突发失效所呈现出的不可预知性成为了研究电池故障预警技术的原动力。实现电池故障预警的关键是寻找最佳预警参数，显然，最佳预警参数需要具备以下3个特点，即与电池故障的高度相关性，可重复测量性，可比较性。

电池老化理论是指导电池设计、制造和改进的理论基础，但老化理论的研究对象主要针对电池的整体性，而电池故障却主要基于电池的差异性，因此，电池老化理论并不适用于电池突发失效的分析研究，这种不适用突出表现在各种电池故障预警方案的思路上。现有的各种工程实用方案，无论是单体电压方案或回路电流＋单体电压方案，还是大电流放电方案或快速容量测试方案，都无不隐含着以电池容量作为预警参数，而实际上电池容量既不具备直接重复测量性（如定期容量放电试验），也不具备间接重复测量性（如通过测量端电压或内阻计算容量）。为摆脱电池老化理论对电池预警思路的束缚，迫切需要从新的角度重新审视电池安全对策，以期建立寻找最佳预警参数的理论依据，这就是电池损伤理论需要解决的课题。

1 电池损伤机理

1.1 电池损伤定义

解读“过充或过放对电池有害”的常见警告，可进一步科学化为：过充或过放电流将造成储能反应外的不可逆的电化学反应，这种设计外的不可逆反应必将损害电池的原有结构和储能能力。由此可对电池损伤作如下定义：“过充过放下对电池结构和储能能力所造成的不能自然复原的损害”。

表面上看，这一定义与电池老化理论和电池应用常识并无明显不同，但是，该定义将自然引发出2个真正有意义的问题：

1）工程实用中一个完好的现有标准系统会避免电池损伤吗？

2）电池损伤发生后，电池中留下了什么样的可重复测量的，可相互比较的物理量变化？

1.2 “完好的现有标准系统”定义

电池故障可能起源于人为失误，也可能起源于设备故障，这些原因都不是电池损伤理论的研究对象，电池损伤理论更加关注电池自身故障的不可避免性。

为把各种非关注因素排除在外，首先需要定义一个“完好的现有标准系统”。一个完好的现有标准系统至少应包括：一个各项技术指标都完全合格的真实电源设备，一组由单体完全合格并按规程连接好的真实电池组，有合格的管理维护人员在执行一个严格的维护规程，总之这应是一个无可挑剔，但又是现实存在的标准系统。

那么，有了这样一个完好的现有标准系统还会发生电池损伤吗？

1.3 电池组中的局部单体过充过放（单体微损伤）

一个电池组各单体之间在容量上必然存在着微小的差异，为方便分析与计算假设一个具有下列技术指标的特例：

1）电池组参数 100节×2V，标称容量100A·h，其中1节实际容量为97A·h，其余99节实际容量均为100A·h；

2）电源设备参数 常规的电压闭环控制方式，其中均充浮充转换的整定电压=240.00V（执行误差=0，单体=2.400V），放电终止的整定电压=170.00V（执行误差=0，单体=1.700V）。

该系统在均充与放电之间运行时，必然出现两个特殊时间段，即

(1)在均充运行下将出现第1个特殊时间段，其起点时间为97A·h电池单体电压>2.400V，而总电压240.00V（此时电源设备将继续充电），其终点时间为总电压=240.00V（这时电源设备准确执行均充浮充切换）。

根据电池损伤的定义，97A·h电池在该特殊时间段运行于过充状态，而其它99节100A·h电池运行于安全范围内。

(2)在放电运行下将出现第2个特殊时间段，其起点时间为97A·h电池单体电压1.700V，而总电压>170.00V（此时电源设备将继续放电），其终点时间为总电压=170.00V（这时电池组终止放电）。

在这个特殊时间段97A·h的电池运行于过放状态，其余99节100A·h电池依然运行于安全范围内。

这两个特殊时间段的客观存在，势必产生下述问题，即

（1）真实系统与本例的差别无非是容量差的大小，而容量差的大小只改变特殊时间段的长短，并不影响特殊时间段的存在；本例说明电池组确实无一例外地存在内在的安全隐患，说明了电池损伤与电池突发事故之间存在必然的内在联系。

（2）完好的设备，准确的控制并不能防止电池损伤的发生，只不过这种个别电池过充过放被掩盖在整体安全运行之下，定量来说，损伤比例只占1％，损伤时间不足3％。

（3）当然，一次1％的损伤比例，或者3％的损伤时间不足以对整个后备供电系统的安全构成威胁，