鉅大LARGE | 點擊量：1890次 | 2018年09月29日
電池損傷機理分析
一、“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注電池自身故障的不可避免性。
為把各種非關注因素排除在外，首先需要定義一個“完好的現有標準系統”。一個完好的現有標準系統至少應包括：一個各項技術指標都完全合格的真實電源設備，一組由單體完全合格并按規程連接好的真實電池組，有合格的管理維護人員在執行一個嚴格的維護規程，總之這應是一個無可挑剔，但又是現實存在的標準系統。
二、電池損傷定義
解讀“過充或過放對電池有害”的常見警告，可進一步科學化為：過充或過放電流將造成儲能反應外的不可逆的電化學反應，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：“過充過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”。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
表面上看，這一定義與電池老化理論和電池應用常識并無明顯不同，但是，該定義將自然引發出2個真正有意義的問題：
1）工程實用中一個完好的現有標準系統會避免電池損傷嗎？
2）電池損傷發生后，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？
三、力學斷裂模型的類比
為了形象理解屬于電學領域的電池組由微損傷導致突發失效的機理，可以用力學領域的斷裂模型作一簡單類比：一個電池組，類同于一個力學中的彈簧鋼板（板簧）；
電池組中各電池參數的差異性，類同于板簧截面的不均勻性；
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。
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”失效的發生時間，將與板簧突然斷裂的發生時間一樣具有不可預知性。
四、電池組中的局部單體過充過放（單體微損傷）
一個電池組各單體之間在容量上必然存在著微小的差異，為方便分析與計算假設一個具有下列技術指標的特例：
1）電池組參數100節×2V，標稱容量
100A·h，其中1節實際容量為97A·h，其余99節實際容量均為100A·h；
2）電源設備參數常規的電壓閉環控制方式，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，必然出現兩個特殊時間段，即
(1)在均充運行下將出現第1個特殊時間段，其起點時間為97A·h電池單體電壓>2.400V，而總電壓<240.00V（此時電源設備將繼續充電），其終點時間為總電壓=240.00V（這時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電池在該特殊時間段運行于過充狀態，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個特殊時間段，其起點時間為97A·h電池單體電壓<1.700V，而總電壓>170.00V（此時電源設備將繼續放電），其終點時間為總電壓=170.00V（這時電池組終止放電）。
在這個特殊時間段97A·h的電池運行于過放狀態，其余99節100A·h電池依然運行于安全范圍內。
這兩個特殊時間段的客觀存在，勢必產生下述問題，即
（1）完好的設備，準確的控制并不能防止電池損傷的發生，只不過這種個別電池過充過放被掩蓋在整體安全運行之下，定量來說，損傷比例只占1％，損傷時間不足3％。
（2）真實系統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間段的長短，并不影響特殊時間段的存在；本例說明電池組確實無一例外地存在內在的安全隱患，說明了電池損傷與電池突發事故之間存在必然的內在聯系。
（3）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，顯然這里存在一個互為因果關系的惡性循環，由此可以合理推論：電池損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，失效過程的延續時間可能隨運行條件而變，但一定存在經多次損傷后加速惡化直至失效的必然結果。
（4）當然，一次1％的損傷比例，或者3％的損傷時間不足以對整個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，就會重復這種微損傷過程。換句話說，微損傷過程實際充斥于后備供電系統運行的全過程。
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