电池损伤机理分析

一、“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。

二、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？

三、力学断裂模型的类比

为了形象理解属于电学领域的电池组由微损伤导致突发失效的机理，可以用力学领域的断裂模型作一简单类比：一个电池组，类同于一个力学中的弹簧钢板（板簧）；

电池组中各电池参数的差异性，类同于板簧截面的不均匀性；

电池组的均充与放电，类同于板簧的全负荷加载；

单体的充放电电压与极限充放电电压之比，类同于板簧某截面上实际载荷与极限载荷相比的过载系数。

这样，电池组中的局部过充过放，类同于板簧全负荷加载下的局部过载（即应力集中）；

电池组中的局部过充过放所造成的微损伤，类同于板簧局部过载下的微裂痕；

受损电池的损伤逐次叠加，类同于受伤板簧的裂痕逐步扩大；

最后，因单体失效造成的电池组突发失效，类同于微裂痕逐步扩大导致板簧的突然断裂。

以上类比从总体上反映出电池组的突发失效应归类于一种“断裂型”模型，如果缺少合适的预警手段，电池组的这种“断裂型”失效的发生时间，将与板簧突然断裂的发生时间一样具有不可预知性。

四、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）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％。

（2）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。

（3）微损伤起源于电池参数的差异性，一次微损伤的后果是电池原有结构的损害和储能能力的下降，这将进一步加大电池的单体差异，这一后果又成为下一次微损伤的起因，显然这里存在一个互为因果关系的恶性循环，由此可以合理推论：电池损伤的后果在一次次微损伤过程中不断加深，直至电池彻底失效，失效过程的延续时间可能随运行条件而变，但一定存在经多次损伤后加速恶化直至失效的必然结果。

（4）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，充其量只能算一次微损伤，但只要在后备供电系统运行中重复均充与放电，就会重复这种微损伤过程。换句话说，微损伤过程实际充斥于后备供电系统运行的全过程。