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分析电池故障预警

发布时间:2019-02-18 09:30:00  来源:锂电池厂家 聚合物电池




 

互比较内阻增量是电池故障预警工程实用化的核心概念
 
电池故障预警的最佳方案是选择带有损伤留痕意义的电池内阻作为预警参数,这就需要对内阻的变化,即自比较内阻增量进行定量计算,然而这一方案存在以下现实困难:
1)影响电池内阻精确值的因素很多,特别是内阻在线运行下的无规则自然波动,使电池未损伤的应有内阻值无法确定,也造成计算自比较内阻增量缺少基准值。
2)如前所述,电池出厂时无法精确标定其初始内阻,从而使后续测量和计算失去原始依据;
解决以上困难的唯一出路是,用电池组的互比较内阻增量替代自比较内阻增量。实现这种替代必须具备以下前提条件。
(1)因电池差异性而导致的电池损伤,包括恶性循环所致的损伤叠加总是集中在极少数电池上。这样大多数电池的内阻值变化都将遵循未损伤的电池老化规律。把这种未损伤电池内阻的基础值提取出来,可以作为损伤电池的当前基准内阻,则各电池当前实际内阻值与当前基准内阻值之差即可定义为互比较内阻增量。
只要电池组的安装与运行符合以上前提条件(一般实际电池组均能符合),则这种替代就具有足够的合理性,而替代的重要现实目标是使实用仪表的研发具备技术可行性。
(2)上述电池组在同一工作条件下运行,包括同一电流和同一温度,其内阻的在线自然波动应具有相同的历史过程,即内阻值也应具有较小的运行分布误差。
(3)电池组采用同一厂家,同一规格的电池,并按一定的规范组装而成,其中包括组装前的一致性测试和组装后的均衡充电规程,其内阻值应有较小的初始分布误差。
 
损伤留痕
 
损伤留痕是电池损伤理论解决工程应用的一个重要新概念。电池受损所致的各种物理量变化中可重复测量,可相互比较的是显性损伤留痕,无法直接重复测量的是隐形损伤留痕。显然,显性损伤留痕的特征与本文引言中所述的最佳预警参数的3个特征完全相同,因此,找到了显性损伤留痕也就等于找到了最佳预警参数。
2.1技术难题
内阻是一个特定的物理量,有许多现成的测量方法可用,在已有知识中,4线交流法能有效克服导线电阻与接触电阻的不利影响,是测量微小电阻最理想的一种物理方法,但是要把4线交流法发展成为一种实用的电池故障预警技术,还面临许多技术上的挑战。因技术细节非本文重点,在此仅作简单评介。
2.1.1 抗在线干扰问题
在线测量内阻,即在电池组与电源设备共同工作且处于值班状态下测量内阻,是电池故障预警技术的一项基本要求。大容量电池的内阻很小,基本上处于4线交流法测量的下限,内阻增量比被测内阻本身还要小将近一个数量级,电源设备运行中的工频纹波,开关噪声,特别是强大的共地串扰,将造成很大的测量值跳动,任何抗干扰措施都只能使干扰的不利影响减小,而不能使之消失。当干扰的不确定跳动大于内阻增量时,测量数据将失去分析价值。
2.3.2 接触电阻的不利影响
接触电阻无处不在,其数值可能是电池内阻的若干倍,由于测量仪器最终还要依靠测量线连接到电池极柱上,电池极柱形形色色,外汇流条与紧固螺栓各异,这样测量连接装置将变得与测量仪器本身一样重要,在某种意义上甚至成为电池故障预警技术工程实用化的成败关键。
2.1.3 毫欧姆、微欧姆的定标问题
测量仪表需要正确地校准和标定才能保证合理的技术指标,缺少高精度毫欧姆,微欧姆电阻基准是定标困难之一;仪表测量原理的不同与测量连接的差异带来很大的不确定量是定标困难之二。以上困难不仅造成不同仪表的测量数据之间缺少比对价值,还进一步造成出厂时的内阻值根本无法精确标定。好在电池故障预警更需要的是相对精度,这一特点大大降低了控制绝对精度的技术难度,但工程实践表明,单体现场可标定,可校准依然是自动巡测型仪表工程化的一个不可或缺的基本要求。
2.2 传统误区
在选择内阻作为预警参数上,囿于传统思维或老化理论,存在着2个误区。
2.2.1 误区1——易于与作为内部耗能参数的内阻混为一谈
作为内部耗能参数的内阻与作为损伤留痕的内阻是两个完全不同的概念。
内阻作为电池内部耗能参数,在电池供出电流时,将在电池外部造成端电压的下降,并在内部产生热量,大多数专业人士都有这样的深刻印象:除了内阻增大到影响电池供能外,大部分情况下电池极小的内阻对供能的影响微不足道。定量来说一个1mΩ内阻的电池供出10A电流,仅造成10mV端压降与0.1W内部发热,即使上例内阻从1mΩ增加到2mΩ,其内部损耗也只造成20mV的端压降和0.2W的内部发热,依然停留在可以忽略不计的水平,从这个角度出发无疑会对选择内阻作为预警参数打上问号。
但是从电池损伤理论的角度来看,电池内阻从1mΩ增大到2mΩ可是一个大事件,足以判定电池严重损伤应该报废,报废的理由不是因为内阻损耗影响了电池供能,而是间接说明该电池已成为电池组中的高危“断裂点”。
2.2.2 误区2——试图由内阻计算容量
内阻确实与容量存在高度相关性,但多项研究认定,由于工艺、材料、温度等各种因素,内阻与容量之间不存在确定的数学关系。更何况仅内部汇流条腐蚀导致物理内阻增加且肯定与容量无关一例,已成为计算容量的判决性反证。可以说,这种对容量的依赖只不过是源自老化理论的一种习惯性联想。
而从损伤理论来看,内阻与损伤的直接相关性已足够预警检测使用,对计算容量的追求实在是多此一举。
 

 

2.3关于微损伤后主要物理量变化特点的讨论
2.3.2 温度变化
理论与经验都表明,过充过放中的非正常电流将引起电池短时发热,但局部过充过放有终点时间,此后电池温度将会趋于正常。因此,尽管温度升高一定对应于电池不正常,但热量会散发,温度不能永久保留不变。
2.3.1 容量变化
电池受损后必然造成容量永久性下降,这已成为当前流行的思维模式,但是,容量是一个难以测量的隐性物理量,除了直接放电校核方法外,至今并未找到一种迅速可靠的间接测量方法。因此,容量下降是电池受损的结果,但容量测量极不方便,故不具备作为预警参数的实用价值。
2.1.3 端压变化
开路状态下的端电压等于化学电动势,而化学电动势是一种不变的自然常量,测量开路电压无法判别电池好坏已属常识。而闭路电压与电池主电流有关。在同一主电流下监测到的闭路电压异常,实际上还是属于内阻异常,监测端压仅在主电流很大时有效,在大部时间里的浮充电压下主电流很小,且不确定。故这种方法基本无效。因此,单体端电压监测仅在大电流下有效,浮充下基本无效,根本原因在于开路电压为化学电动势,属恒定不变的自然常量,完全与损伤无关。
2.3.4 内阻变化
这是当前最为活跃的研究方向,说明内阻在电池故障预警技术中的地位正在日益受到重视。已进行了大量研究,少量产品已经问世,也积累了相当多的数据,在此基础上总结内阻与电池损伤的关系,有以下2个显著特点:
1)电池受损后内阻永久性增大,相对其他物理量变化更加易于重复测量;
2)重复受损的内阻增量可重复叠加,因而具有可互相比较性。
因此,选择内阻作为预警参数的优点勿庸置疑,但一些传统误区增加了推广难度,而研发在线强干扰下能测量微小内阻和更微小的内阻增量的高精度仪表也存在许多技术上的困难。
 

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文章标签:电池故障预警
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