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電池的損傷機(jī)理與故障預(yù)警
摘要：電池?fù)p傷理論比電池老化理論更適用于電池故障的分析研究。研究了在電池組中微損傷的成因。分析了電池組中損傷疊加直至“斷裂型”失效的過程，得出現(xiàn)有電池安全體系存在系統(tǒng)性隱患的重要結(jié)論。闡述了從損傷留痕角度選擇內(nèi)阻作為預(yù)警參數(shù)的理由。提出互比較內(nèi)阻增量是電池故障預(yù)警技術(shù)工程實(shí)用化的核心概念。關(guān)鍵詞：電池?fù)p傷；損傷留痕；互比較內(nèi)阻增量；電池故障預(yù)警
引言
電池組突發(fā)失效是后備供電系統(tǒng)中的一大安全隱患，如何預(yù)防電池組突發(fā)失效是電池維護(hù)技術(shù)中具有挑戰(zhàn)性的課題。目前，電池組突發(fā)失效所呈現(xiàn)出的不可預(yù)知性成為了研究電池故障預(yù)警技術(shù)的原動(dòng)力。實(shí)現(xiàn)電池故障預(yù)警的關(guān)鍵是尋找最佳預(yù)警參數(shù)，顯然，最佳預(yù)警參數(shù)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(fù)測量性，可比較性。
電池老化理論是指導(dǎo)電池設(shè)計(jì)、制造和改進(jìn)的理論基礎(chǔ)，但老化理論的研究對(duì)象主要針對(duì)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(xiàn)在各種電池故障預(yù)警方案的思路上。現(xiàn)有的各種工程實(shí)用方案，無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，都無不隱含著以電池容量作為預(yù)警參數(shù)，而實(shí)際上電池容量既不具備直接重復(fù)測量性（如定期容量放電試驗(yàn)），也不具備間接重復(fù)測量性（如通過測量端電壓或內(nèi)阻計(jì)算容量）。為擺脫電池老化理論對(duì)電池預(yù)警思路的束縛，迫切需要從新的角度重新審視電池安全對(duì)策，以期建立尋找最佳預(yù)警參數(shù)的理論依據(jù)，這就是電池?fù)p傷理論需要解決的課題。
1 電池?fù)p傷機(jī)理
1.1 電池?fù)p傷定義
解讀“過充或過放對(duì)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(chǔ)能反應(yīng)外的不可逆的電化學(xué)反應(yīng)，這種設(shè)計(jì)外的不可逆反應(yīng)必將損害電池的原有結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能能力。由此可對(duì)電池?fù)p傷作如下定義：“過充過放下對(duì)電池結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能能力所造成的不能自然復(fù)原的損害”。
表面上看，這一定義與電池老化理論和電池應(yīng)用常識(shí)并無明顯不同，但是，該定義將自然引發(fā)出2個(gè)真正有意義的問題：
1）工程實(shí)用中一個(gè)完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)會(huì)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？
1.2 “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(duì)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(gè)“完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)”。一個(gè)完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)至少應(yīng)包括：一個(gè)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都完全合格的真實(shí)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(shí)電池組，有合格的管理維護(hù)人員在執(zhí)行一個(gè)嚴(yán)格的維護(hù)規(guī)程，總之這應(yīng)是一個(gè)無可挑剔，但又是現(xiàn)實(shí)存在的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。
那么，有了這樣一個(gè)完好的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)還會(huì)發(fā)生電池?fù)p傷嗎？
1.3 電池組中的局部單體過充過放（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微小的差異，為方便分析與計(jì)算假設(shè)一個(gè)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(shí)際容量為97A·h，其余99節(jié)實(shí)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(yùn)行時(shí)，必然出現(xiàn)兩個(gè)特殊時(shí)間段，即
(1)在均充運(yùn)行下將出現(xiàn)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(shè)備將繼續(xù)充電），其終點(diǎn)時(shí)間為總電壓=240.00V（這時(shí)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(shí)間段運(yùn)行于過充狀態(tài)，而其它99節(jié)100A·h電池運(yùn)行于安全范圍內(nèi)。
(2)在放電運(yùn)行下將出現(xiàn)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(shè)備將繼續(xù)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(yùn)行于過放狀態(tài)，其余99節(jié)100A·h電池依然運(yùn)行于安全范圍內(nèi)。
這兩個(gè)特殊時(shí)間段的客觀存在，勢必產(chǎn)生下述問題，即
（1）真實(shí)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(shí)間段的長短，并不影響特殊時(shí)間段的存在；本例說明電池組確實(shí)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。
（2）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(gè)別電池過充過放被掩蓋在整體安全運(yùn)行之下，定量來說，損傷比例只占1％，損傷時(shí)間不足3％。
（3）當(dāng)然，一次1％的損傷比例，或者3％的損傷時(shí)間不足以對(duì)整個(gè)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(yùn)行中重復(fù)均充與放電，就會(huì)重復(fù)這種微損傷過程。換句話說，微損傷過程實(shí)際充斥于后備供電系統(tǒng)運(yùn)行的全過程。
（4）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(chǔ)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?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(shí)間可能隨運(yùn)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。
1.4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(jī)理，可以用力學(xué)領(lǐng)域的斷裂模型作一簡單類比：一個(gè)電池組，類同于一個(gè)力學(xué)中的彈簧鋼板（板簧）；
電池組中各電池參數(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(shí)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(shí)間，將與板簧突然斷裂的發(fā)生時(shí)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(gè)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(gè)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(diǎn)的討論
2.1.1 溫度變化
理論與經(jīng)驗(yàn)都表明，過充過放中的非正常電流將引起電池短時(shí)發(fā)熱，但局部過充過放有終點(diǎn)時(shí)間，此后電池溫度將會(huì)趨于正常。因此，盡管溫度升高一定對(duì)應(yīng)于電池不正常，但熱量會(huì)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(gè)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(shí)用價(jià)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(dòng)勢，而化學(xué)電動(dòng)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(shí)。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(shí)際上還是屬于內(nèi)阻異常，監(jiān)測端壓僅在主電流很大時(shí)有效，在大部時(shí)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(dòng)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(gè)顯著特點(diǎn)：
1)電池受損后內(nèi)阻永久性增大，相對(duì)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(diǎn)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(gè)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(gè)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(shí)，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(duì)供能的影響微不足道。定量來說一個(gè)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(jì)的水平，從這個(gè)角度出發(fā)無疑會(huì)對(duì)選擇內(nèi)阻作為預(yù)警參數(shù)打上問號(hào)。
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(gè)大事件，足以判定電池嚴(yán)重?fù)p傷應(yīng)該報(bào)廢，報(bào)廢的理由不是因?yàn)閮?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(diǎn)”。
2.2.2 誤區(qū)2——試圖由內(nèi)阻計(jì)算容量
內(nèi)阻確實(shí)與容量存在高度相關(guān)性，但多項(xiàng)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(jì)算容量的判決性反證。可以說，這種對(duì)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(duì)計(jì)算容量的追求實(shí)在是多此一舉。
2.3 技術(shù)難題
內(nèi)阻是一個(gè)特定的物理量，有許多現(xiàn)成的測量方法可用，在已有知識(shí)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(shí)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(diǎn)，在此僅作簡單評(píng)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(xiàng)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(gè)數(shù)量級(jí)，電源設(shè)備運(yùn)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(dòng)，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(dòng)大于內(nèi)阻增量時(shí)，測量數(shù)據(jù)將失去分析價(jià)值。
2.3.2 接觸電阻的不利影響
接觸電阻無處不在，其數(shù)值可能是電池內(nèi)阻的若干倍，由于測量儀器最終還要依靠測量線連接到電池極柱上，電池極柱形形色色，外匯流條與緊固螺栓各異，這樣測量連接裝置將變得與測量儀器本身一樣重要，在某種意義上甚至成為電池故障預(yù)警技術(shù)工程實(shí)用化的成敗關(guān)鍵。
2.3.3 毫歐姆、微歐姆的定標(biāo)問題
測量儀表需要正確地校準(zhǔn)和標(biāo)定才能保證合理的技術(shù)指標(biāo)，缺少高精度毫歐姆，微歐姆電阻基準(zhǔn)是定標(biāo)困難之一；儀表測量原理的不同與測量連接的差異帶來很大的不確定量是定標(biāo)困難之二。以上困難不僅造成不同儀表的測量數(shù)據(jù)之間缺少比對(duì)價(jià)值，還進(jìn)一步造成出廠時(shí)的內(nèi)阻值根本無法精確標(biāo)定。好在電池故障預(yù)警更需要的是相對(duì)精度，這一特點(diǎn)大大降低了控制絕對(duì)精度的技術(shù)難度，但工程實(shí)踐表明，單體現(xiàn)場可標(biāo)定，可校準(zhǔn)依然是自動(dòng)巡測型儀表工程化的一個(gè)不可或缺的基本要求。
3 互比較內(nèi)阻增量是電池故障預(yù)警工程實(shí)用化的核心概念
電池故障預(yù)警的最佳方案是選擇帶有損傷留痕意義的電池內(nèi)阻作為預(yù)警參數(shù)，這就需要對(duì)內(nèi)阻的變化，即自比較內(nèi)阻增量進(jìn)行定量計(jì)算，然而這一方案存在以下現(xiàn)實(shí)困難：
1）如前所述，電池出廠時(shí)無法精確標(biāo)定其初始內(nèi)阻，從而使后續(xù)測量和計(jì)算失去原始依據(jù)；
2）影響電池內(nèi)阻精確值的因素很多，特別是內(nèi)阻在線運(yùn)行下的無規(guī)則自然波動(dòng)，使電池未損傷的應(yīng)有內(nèi)阻值無法確定，也造成計(jì)算自比較內(nèi)阻增量缺少基準(zhǔn)值。
解決以上困難的唯一出路是，用電池組的互比較內(nèi)阻增量替代自比較內(nèi)阻增量。實(shí)現(xiàn)這種替代必須具備以下前提條件。
（1）電池組采用同一廠家，同一規(guī)格的電池，并按一定的規(guī)范組裝而成，其中包括組裝前的一致性測試和組裝后的均衡充電規(guī)程，其內(nèi)阻值應(yīng)有較小的初始分布誤差。
（2）上述電池組在同一工作條件下運(yùn)行，包括同一電流和同一溫度，其內(nèi)阻的在線自然波動(dòng)應(yīng)具有相同的歷史過程，即內(nèi)阻值也應(yīng)具有較小的運(yùn)行分布誤差。
（3）因電池差異性而導(dǎo)致的電池?fù)p傷，包括惡性循環(huán)所致的損傷疊加總是集中在極少數(shù)電池上。這樣大多數(shù)電池的內(nèi)阻值變化都將遵循未損傷的電池老化規(guī)律。把這種未損傷電池內(nèi)阻的基礎(chǔ)值提取出來，可以作為損傷電池的當(dāng)前基準(zhǔn)內(nèi)阻，則各電池當(dāng)前實(shí)際內(nèi)阻值與當(dāng)前基準(zhǔn)內(nèi)阻值之差即可定義為互比較內(nèi)阻增量。
只要電池組的安裝與運(yùn)行符合以上前提條件（一般實(shí)際電池組均能符合），則這種替代就具有足夠的合理性，而替代的重要現(xiàn)實(shí)目標(biāo)是使實(shí)用儀表的研發(fā)具備技術(shù)可行性。
圖1～圖3示意圖可以形象地說明這種替代的合理性。圖1表示無損傷單體電池在線運(yùn)行時(shí)內(nèi)阻的正常自然波動(dòng)，波動(dòng)變化具體如何在本例中無關(guān)緊要。圖2表示另類單體電池以同一波動(dòng)變化運(yùn)行，但遭遇2次損傷事件（第一次為1日20:07，第二次為2日18:33），圖2中粗實(shí)線表示2次受損內(nèi)阻增量的逐次疊加過程，虛線部分則表示該電池非損傷下的應(yīng)有內(nèi)阻值。圖3則表示由圖1、圖2兩類電池組成電池組（共5個(gè)）的內(nèi)阻變化曲線，其中1＃、2＃、4＃、5＃電池屬圖1表示的未損傷類型，3＃電池為圖2所表示的受損類型。
圖3中沿t軸(時(shí)間軸)所標(biāo)示的數(shù)據(jù)為3＃電池的歷史變化，要想求得3＃電池的自比較內(nèi)阻增量，首先必須知道虛線所表示的非損傷內(nèi)阻的應(yīng)有值，當(dāng)應(yīng)有值為未知數(shù)時(shí)，
計(jì)算自比較內(nèi)阻增量自然不具備技術(shù)可行性。
而沿N軸(單體軸)所采集的數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻各電池的當(dāng)前內(nèi)阻值，若合理認(rèn)定1＃、2＃、4＃、5＃的內(nèi)阻值可以代表3＃非損傷下的應(yīng)有值，則3＃的當(dāng)前值與該應(yīng)有值之差，就是互比較內(nèi)阻增量。
當(dāng)然實(shí)際電池組采集到的數(shù)據(jù)都會(huì)有一定的離散性，處理離散性數(shù)據(jù)將會(huì)比本例復(fù)雜一些，但不影響其技術(shù)可行性。
4 結(jié)語
電池?fù)p傷機(jī)理提供了分析研究電池突發(fā)事故的新思路，由此而得到的現(xiàn)有電池安全體系存在系統(tǒng)性缺陷的結(jié)論引人警覺，選擇內(nèi)阻互比較增量作為預(yù)警參數(shù)無疑會(huì)成為電池故障預(yù)警的重點(diǎn)研究方向之一，但是克服電池安全概念上的傳統(tǒng)誤區(qū)顯得比攻克技術(shù)難題更加重要。
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