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分析电池损伤机理

发布时间:2019-02-19 09:26:00  来源:锂电池厂家




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。

 


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文章标签:电池损伤机理
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