电池的损伤机理与故障预警

(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）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

（2）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％。

（3）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。

（4）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。

1.4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。

2 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 关于微损伤后主要物理量变化特点的讨论

2.1.1 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。

2.1.2 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。