鉅大LARGE | 點擊量：1891次 | 2018年09月29日
電池?fù)p傷機理分析
一、“完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)”定義
電池故障可能起源于人為失誤，也可能起源于設(shè)備故障，這些原因都不是電池?fù)p傷理論的研究對象，電池?fù)p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“完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)”。一個完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)至少應(yīng)包括：一個各項技術(shù)指標(biāo)都完全合格的真實電源設(shè)備，一組由單體完全合格并按規(guī)程連接好的真實電池組，有合格的管理維護(hù)人員在執(zhí)行一個嚴(yán)格的維護(hù)規(guī)程，總之這應(yīng)是一個無可挑剔，但又是現(xiàn)實存在的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。
二、電池?fù)p傷定義
解讀“過充或過放對電池有害”的常見警告，可進(jìn)一步科學(xué)化為：過充或過放電流將造成儲能反應(yīng)外的不可逆的電化學(xué)反應(yīng)，這種設(shè)計外的不可逆反應(yīng)必將損害電池的原有結(jié)構(gòu)和儲能能力。由此可對電池?fù)p傷作如下定義：“過充過放下對電池結(jié)構(gòu)和儲能能力所造成的不能自然復(fù)原的損害”。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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(yīng)用常識并無明顯不同，但是，該定義將自然引發(fā)出2個真正有意義的問題：
1）工程實用中一個完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)會避免電池?fù)p傷嗎？
2）電池?fù)p傷發(fā)生后，電池中留下了什么樣的可重復(fù)測量的，可相互比較的物理量變化？
三、力學(xué)斷裂模型的類比
為了形象理解屬于電學(xué)領(lǐng)域的電池組由微損傷導(dǎo)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單類比：一個電池組，類同于一個力學(xué)中的彈簧鋼板（板簧）；
電池組中各電池參數(shù)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(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(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。
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(shè)一個具有下列技術(shù)指標(biāo)的特例：
1）電池組參數(shù)100節(jié)×2V，標(biāo)稱容量
100A·h，其中1節(jié)實際容量為97A·h，其余99節(jié)實際容量均為100A·h；
2）電源設(shè)備參數(shù)常規(guī)的電壓閉環(huán)控制方式，其中均充浮充轉(zhuǎn)換的整定電壓=240.00V（執(zhí)行誤差=0，單體=2.400V），放電終止的整定電壓=170.00V（執(zhí)行誤差=0，單體=1.700V）。
該系統(tǒng)在均充與放電之間運行時，必然出現(xiàn)兩個特殊時間段，即
(1)在均充運行下將出現(xiàn)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(shè)備將繼續(xù)充電），其終點時間為總電壓=240.00V（這時電源設(shè)備準(zhǔn)確執(zhí)行均充浮充切換）。
根據(jù)電池?fù)p傷的定義，97A·h電池在該特殊時間段運行于過充狀態(tài)，而其它99節(jié)100A·h電池運行于安全范圍內(nèi)。
(2)在放電運行下將出現(xiàn)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(shè)備將繼續(xù)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(tài)，其余99節(jié)100A·h電池依然運行于安全范圍內(nèi)。
這兩個特殊時間段的客觀存在，勢必產(chǎn)生下述問題，即
（1）完好的設(shè)備，準(zhǔn)確的控制并不能防止電池?fù)p傷的發(fā)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(tǒng)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(nèi)在的安全隱患，說明了電池?fù)p傷與電池突發(fā)事故之間存在必然的內(nèi)在聯(lián)系。
（3）微損傷起源于電池參數(shù)的差異性，一次微損傷的后果是電池原有結(jié)構(gòu)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，顯然這里存在一個互為因果關(guān)系的惡性循環(huán)，由此可以合理推論：電池?fù)p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(xù)時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(jié)果。
（4）當(dāng)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(tǒng)的安全構(gòu)成威脅，充其量只能算一次微損傷，但只要在后備供電系統(tǒng)運行中重復(fù)均充與放電，就會重復(fù)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(tǒng)運行的全過程。
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