探討充電電池各種難以克服的問題、其原因及彌補這些問題的方法
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-23 20:19
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電池的性能退化一方面是使用和老化的自然結(jié)果，另一方面則由于缺乏維護、苛刻的使用環(huán)境以及不良的充電操作等等加速其劣化。下面將探討充電電池各種難以克服的問題、其原因及彌補這些問題的方法。
高的自放電率
各種電池都存在自放電，但使用不當會促使這種狀態(tài)的發(fā)展。自放電率呈漸近線規(guī)律，最高的放電率出現(xiàn)在剛充電之后，然后逐漸減小。
鎳基電池表現(xiàn)出較高的自放電率。在正常環(huán)境溫度下，新的鎳鎘電池充電后，在第一個24h期間其電高量約減少10%。此后，自放電率穩(wěn)定至每個月約10％。通常溫度較高，其放電率也增大。一般的準則是：溫度每升高10℃自放電率增大1倍。鎳金屬氫化物電池的自放電率比鎳鎘電池約大30％。
鎳基電池經(jīng)過數(shù)百次循環(huán)后其自放電率也增大，電池的極板開始膨脹從而更緊密地擠壓電極之間的隔膜，形成金屬樹枝狀晶體，這是結(jié)晶體生長的結(jié)果(記憶效應)，從而損壞了電池隔膜，增大了自放電率。如果鎳基電池在24h的自放電達30%時，應予棄用。
鎳離子電池在充電后的第一個24h的自放電率為5%。此后下降至每月1％-2％，電池的安全保護電路增加約3％。高的循環(huán)次數(shù)和老化對鋰基電池的自放電率沒有影響。鉛酸電池的自放電率約每月5％或者每年50％，重復性的深度循環(huán)充放電則使自放電增大。
電池自放電的百分率可用電池分析儀加以測定，但此程序需要數(shù)小時。測得的電池內(nèi)阻常可反映電池的內(nèi)阻是否過高。此參數(shù)可用阻抗計測量或用電池分析儀的歐姆測試程序。
電池的匹配
即使采用了現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造技術，電池的容量也不可能準確預測，尤其是對鎳基電池。制造過程中，將每個電池以其容量的大小加以檢測并分類。高容量“A”類電池通常以優(yōu)質(zhì)級價格按特殊用途電池出售；中等容量“B”類電池應用于工業(yè)和商業(yè)產(chǎn)品；低端“C”類電池則以廉價出售。通過循環(huán)充放電并不能改善低端類別電池的容量。購買低價的可充電電池所得的是低電池容量。
在以多個電池組成的電池組中，電池的匹配應控制在±2.5％以內(nèi)。在組成電池個數(shù)多的電池組中，以及需輸出大負載電流和在低溫下工作的電池組，需要更嚴格的電池容差控制。在一個新的電池組中的各個電池如果稍有小的失配，在經(jīng)過數(shù)次充電循環(huán)后，將能互相平衡自行適應。電池之間能否很好地平衡適應，關係到電池組是否具有較長的使用壽命。
為何電池的匹配如此重要？這是因為一個“弱”電池含有的容量較小，它比“強”電池更快地放充電。這種放電過程的不平衡導致“弱”電池在放電經(jīng)過低電壓時，電池極性會反轉(zhuǎn)。在充電時“弱”電池在被充過程中首先進入發(fā)熱過充狀態(tài)，而此時較強的電池仍能正常地接受充電并不發(fā)熱。在這兩種情況下“弱”電池處于不利的狀態(tài)，使它變得更“弱”而導致嚴重的失配。
優(yōu)質(zhì)電池比低質(zhì)量電池的電容量更為一致也更為均衡。對高端大功率工具應選用高質(zhì)量電池，因其在大負荷和極端的溫度環(huán)境下可有高的耐久性。雖付出高成本，然而其回報是電池組有更長的壽命。
鋰基電池從生產(chǎn)線上下來時其本質(zhì)性能就匹配得很好。在電池組內(nèi)部各單個電池需符合嚴格的容差是非常重要的。電池組所有的電池必須在統(tǒng)一的時間之內(nèi)達到充電滿量，而且在放電終結(jié)時達到同樣的門限電壓。電池組內(nèi)置的保護電路應在電池出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)時起到安全保護作用。
短路的電池
電池生產(chǎn)廠商常常無法解釋當電池還處于較新的狀態(tài)時，為何某些電池顯示出高的漏電率或者出現(xiàn)電氣短路。其可疑的原因是電池在制造過程中可能混入了外來顆粒雜質(zhì)。另一種是電極上的粗糙點造成對隔膜的損傷。因此對電池應改善其制造過程，這可大大地減少電池的“早期失效率”(infant mortality)。
深度放電造成電池的極性反轉(zhuǎn)也會導致電池短路。如果鎳基電池在大電流放電至徹底放光時，這種狀態(tài)也可能出現(xiàn)。高的反向電流可造成永久性的電短路。另一種原因是由不可控的晶狀體的形成導致的隔膜損傷，這就是所謂的記憶效應。
采用瞬時大電流脈沖試圖修復短路的電池，其成功率極為有限。這種短路可能暫時被蒸發(fā)，但是對隔膜材料的損傷依然存在。這種修復后的電池常表現(xiàn)有高的放電率并且短路還會再次出現(xiàn)。在一個已老化的電池組中更換某個短路電池并非可取。除非這個新電池在電池電壓和容量上與電池組中的其它電池性能一樣是匹配的。
電解液的損耗
電池雖然都是密封的，但在其使用壽命期間會損失一些電解液，特別是如果由于粗心不適當充電產(chǎn)生過大的氣體壓力以致出現(xiàn)氣體排放。一旦出現(xiàn)氣體排放，在鎳基電池上的彈簧加壓的排氣密封墊可能難以完好地再封閉，從而造成密封墊周圍淀積起白色粉末，電解液的損耗最終將降低電池容量。
滲透或是在氣閥調(diào)節(jié)的鉛酸電池(VRCA)中電解液的損耗是一個久已存在的問題。其原因是過充以及在高溫下工作造成的。用加水補充電解液的損耗成效是有限的，雖然可以部分地恢覆電池容量，但電池的性能將不甚可靠。
如果正確地充電，鋰離子電池應不產(chǎn)生氣體以致出現(xiàn)排氣的問題。但是鋰離子電池在某些條件下也會產(chǎn)生內(nèi)部壓力。某些電池內(nèi)部配置——電路開關，當電池壓力達到某個臨界值時，該開關可切斷電流。另外有些電池則設計成一種可控的方式或打開安全隔膜以釋放氣體。
被認為是未來汽車的電動汽車是電動源、電機和整車三大技術的結(jié)合體，電動源是電動汽車的核心部件，目前已經(jīng)形成動力鋰離子電池及其專用材料的開發(fā)熱潮。做為一種新型的動力技術，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達到使用電壓的需要，單體性能上的參差不齊并不全是緣于電池的生產(chǎn)技術問題，從涂膜開始到成品要經(jīng)過多道工序，即使每道工序都經(jīng)過嚴格的檢測程序，使每只電池的電壓、內(nèi)阻、容量一致，使用一段時間以后，也會產(chǎn)生差異，使得鋰動力電池的使用技術問題迫在眉睫，而且必須盡快解決。
高的自放電率
各種電池都存在自放電，但使用不當會促使這種狀態(tài)的發(fā)展。自放電率呈漸近線規(guī)律，最高的放電率出現(xiàn)在剛充電之后，然后逐漸減小。
鎳基電池表現(xiàn)出較高的自放電率。在正常環(huán)境溫度下，新的鎳鎘電池充電后，在第一個24h期間其電高量約減少10%。此后，自放電率穩(wěn)定至每個月約10％。通常溫度較高，其放電率也增大。一般的準則是：溫度每升高10℃自放電率增大1倍。鎳金屬氫化物電池的自放電率比鎳鎘電池約大30％。
鎳基電池經(jīng)過數(shù)百次循環(huán)后其自放電率也增大，電池的極板開始膨脹從而更緊密地擠壓電極之間的隔膜，形成金屬樹枝狀晶體，這是結(jié)晶體生長的結(jié)果(記憶效應)，從而損壞了電池隔膜，增大了自放電率。如果鎳基電池在24h的自放電達30%時，應予棄用。
鎳離子電池在充電后的第一個24h的自放電率為5%。此后下降至每月1％-2％，電池的安全保護電路增加約3％。高的循環(huán)次數(shù)和老化對鋰基電池的自放電率沒有影響。鉛酸電池的自放電率約每月5％或者每年50％，重復性的深度循環(huán)充放電則使自放電增大。
電池自放電的百分率可用電池分析儀加以測定，但此程序需要數(shù)小時。測得的電池內(nèi)阻常可反映電池的內(nèi)阻是否過高。此參數(shù)可用阻抗計測量或用電池分析儀的歐姆測試程序。
電池的匹配
即使采用了現(xiàn)代化的生產(chǎn)制造技術，電池的容量也不可能準確預測，尤其是對鎳基電池。制造過程中，將每個電池以其容量的大小加以檢測并分類。高容量“A”類電池通常以優(yōu)質(zhì)級價格按特殊用途電池出售；中等容量“B”類電池應用于工業(yè)和商業(yè)產(chǎn)品；低端“C”類電池則以廉價出售。通過循環(huán)充放電并不能改善低端類別電池的容量。購買低價的可充電電池所得的是低電池容量。
在以多個電池組成的電池組中，電池的匹配應控制在±2.5％以內(nèi)。在組成電池個數(shù)多的電池組中，以及需輸出大負載電流和在低溫下工作的電池組，需要更嚴格的電池容差控制。在一個新的電池組中的各個電池如果稍有小的失配，在經(jīng)過數(shù)次充電循環(huán)后，將能互相平衡自行適應。電池之間能否很好地平衡適應，關係到電池組是否具有較長的使用壽命。
為何電池的匹配如此重要？這是因為一個“弱”電池含有的容量較小，它比“強”電池更快地放充電。這種放電過程的不平衡導致“弱”電池在放電經(jīng)過低電壓時，電池極性會反轉(zhuǎn)。在充電時“弱”電池在被充過程中首先進入發(fā)熱過充狀態(tài)，而此時較強的電池仍能正常地接受充電并不發(fā)熱。在這兩種情況下“弱”電池處于不利的狀態(tài)，使它變得更“弱”而導致嚴重的失配。
優(yōu)質(zhì)電池比低質(zhì)量電池的電容量更為一致也更為均衡。對高端大功率工具應選用高質(zhì)量電池，因其在大負荷和極端的溫度環(huán)境下可有高的耐久性。雖付出高成本，然而其回報是電池組有更長的壽命。
鋰基電池從生產(chǎn)線上下來時其本質(zhì)性能就匹配得很好。在電池組內(nèi)部各單個電池需符合嚴格的容差是非常重要的。電池組所有的電池必須在統(tǒng)一的時間之內(nèi)達到充電滿量，而且在放電終結(jié)時達到同樣的門限電壓。電池組內(nèi)置的保護電路應在電池出現(xiàn)不正常的工作狀態(tài)時起到安全保護作用。
短路的電池
電池生產(chǎn)廠商常常無法解釋當電池還處于較新的狀態(tài)時，為何某些電池顯示出高的漏電率或者出現(xiàn)電氣短路。其可疑的原因是電池在制造過程中可能混入了外來顆粒雜質(zhì)。另一種是電極上的粗糙點造成對隔膜的損傷。因此對電池應改善其制造過程，這可大大地減少電池的“早期失效率”(infant mortality)。
深度放電造成電池的極性反轉(zhuǎn)也會導致電池短路。如果鎳基電池在大電流放電至徹底放光時，這種狀態(tài)也可能出現(xiàn)。高的反向電流可造成永久性的電短路。另一種原因是由不可控的晶狀體的形成導致的隔膜損傷，這就是所謂的記憶效應。
采用瞬時大電流脈沖試圖修復短路的電池，其成功率極為有限。這種短路可能暫時被蒸發(fā)，但是對隔膜材料的損傷依然存在。這種修復后的電池常表現(xiàn)有高的放電率并且短路還會再次出現(xiàn)。在一個已老化的電池組中更換某個短路電池并非可取。除非這個新電池在電池電壓和容量上與電池組中的其它電池性能一樣是匹配的。
電解液的損耗
電池雖然都是密封的，但在其使用壽命期間會損失一些電解液，特別是如果由于粗心不適當充電產(chǎn)生過大的氣體壓力以致出現(xiàn)氣體排放。一旦出現(xiàn)氣體排放，在鎳基電池上的彈簧加壓的排氣密封墊可能難以完好地再封閉，從而造成密封墊周圍淀積起白色粉末，電解液的損耗最終將降低電池容量。
滲透或是在氣閥調(diào)節(jié)的鉛酸電池(VRCA)中電解液的損耗是一個久已存在的問題。其原因是過充以及在高溫下工作造成的。用加水補充電解液的損耗成效是有限的，雖然可以部分地恢覆電池容量，但電池的性能將不甚可靠。
如果正確地充電，鋰離子電池應不產(chǎn)生氣體以致出現(xiàn)排氣的問題。但是鋰離子電池在某些條件下也會產(chǎn)生內(nèi)部壓力。某些電池內(nèi)部配置——電路開關，當電池壓力達到某個臨界值時，該開關可切斷電流。另外有些電池則設計成一種可控的方式或打開安全隔膜以釋放氣體。
被認為是未來汽車的電動汽車是電動源、電機和整車三大技術的結(jié)合體，電動源是電動汽車的核心部件，目前已經(jīng)形成動力鋰離子電池及其專用材料的開發(fā)熱潮。做為一種新型的動力技術，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達到使用電壓的需要，單體性能上的參差不齊并不全是緣于電池的生產(chǎn)技術問題，從涂膜開始到成品要經(jīng)過多道工序，即使每道工序都經(jīng)過嚴格的檢測程序，使每只電池的電壓、內(nèi)阻、容量一致，使用一段時間以后，也會產(chǎn)生差異，使得鋰動力電池的使用技術問題迫在眉睫，而且必須盡快解決。
動力電池組的使用壽命受多種因素影響，如果電池組壽命低于單體平均壽命的一半以下，可以推斷都是由于使用技術不當造成的，首要原因當推過充和過放導致單體電池提前失效。本文結(jié)合鋰動力電池特性、電子電源、計算機控制技術研究動力電池組的使用技術，探討動力電池組的均衡控制和管理。
1 動力電池主要性能參數(shù)
1.1 電壓
開路電壓=電動勢+電極過電位，工作電壓=開路電壓+電流在電池內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生的電壓降。電動勢由電極和電解質(zhì)材料特性決定，電極的過電位與材料活性、荷電狀態(tài)和工況有關。金屬鋰標準電極電位-3.05V，3V 鋰電池3.3~2.3V，4V 鋰4.2~3.7V，5V 鋰4.9V~3.0V。
1.2 內(nèi)阻
電池在短時間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個電壓源，其內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻，內(nèi)阻大小決定了電池的使用效率。電池內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻兩部分，歐姆電阻不隨激勵信號頻率變化，又稱交流電阻，在同一充放電周期內(nèi)，歐姆電阻除溫升影響外變化很小。極化電阻由電池電化學特性對外部充放電表現(xiàn)出的抵抗反應產(chǎn)生，與電池荷電、充放強度、材料活性都有關。同批電池，內(nèi)阻過大或過小者都不正常，內(nèi)阻過小可能意味材料枝晶生長和微短路，內(nèi)阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減，內(nèi)阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據(jù)之一。
1.3 溫升
電池溫升定義為電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的差值。多數(shù)鋰電池充電時屬吸熱反應，放電時為放熱反應，兩者都包含內(nèi)阻熱耗。充電初期，極化電阻最小，吸熱反應處于主導地位，電池溫升可能出現(xiàn)負值，充電后期，阻抗增大，釋熱多于吸熱，溫升增加，過充時，隨不可逆反應的出現(xiàn)，逸出氣體，內(nèi)壓、溫升升高，直到變形、爆裂。
1.4 內(nèi)壓
電池內(nèi)部壓力，由于電池內(nèi)部反應逸出氣體導致氣壓增大，氣壓過大將撐破殼體和發(fā)生爆裂，基于安全考慮，一方面鋰電池都設計了單向的防爆閥門，一方面用塑殼制造。析氣反應常伴隨著不可逆反應，也就意味著活性物質(zhì)的損失、電池容量的下降，無析氣、小溫升充放電是最理想的。
1.5 電量
電學里，電量用 Wh 表示，是能量單位，一度電等于1kWh，電池常用Ah 計算電量，對于動力電池側(cè)重于功率和能量大小，用Wh 更直接一些，因為電池的電壓是變化的，其全程變化量可達到極大值的一半左右，用Ah 計算電量不能正確描述電池的動力驅(qū)動能力，但Ah 作為電池的電量單位自有其歷史和道理，在不引起歧義的地方兩種電量單位都可以使用。
1.6 荷電
電池還有多少電量，又稱剩余電量，常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值，稱荷電程度。是人們在使用中最關心的、也是最不易獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)，人們試圖通過測量內(nèi)阻、電壓電流的變化等推算荷電量，做了許多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)的有效支持，指示的荷電程度總是非線性變化。
1.7 容量
電池在充足電以后，開始放電直到放空電為止，能輸出的最大電量。容量與放電電流大小有關，與充放電截止電壓也有關系，故容量定義為小時率容量，動力電池常用1 小時率（1C）或2 小時率(0.5C)容量。電池在化成之前材料的活性不能正常發(fā)揮，容量很小，化成過程開始后，電池進入其生命期，在整個生命期里，電池的活化和劣化過程是一個問題的兩個方面，初期活化作用處于主導地位，電池容量逐漸上升，以后，活化和劣化作用都不明顯或相當，后期，劣化作用顯著，容量衰減，規(guī)定容量衰減到一定比例(60%)后，電池壽命終結(jié)。
1.8 功率
電學定義直流電源的輸出功率等于輸出電壓與電流的乘積，鋰電池單體電壓高，在相同的輸出電流下，其功率分別是鉛酸、鎳鎘鎳氫的 1.8 倍和3 倍。電動汽車用動力電池組的負載是電機控制器，電機控制器根據(jù)車速變化調(diào)整輸出功率，短時間來看，電池組驅(qū)動的是恒功率負載，這個功率變化的范圍極大，制動時有與加速時相近的反向逆變功率。
1.9 效率
電池的效率指電池的充放電效率或能量輸出效率，本文指后者。對于電動汽車，續(xù)駛里程是最重要指標之一，在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下，根據(jù)能量守恒定律，電池組輸出的能量轉(zhuǎn)化為兩部分，一部分作為熱耗散失在電阻上，另一部分提供給電機控制器轉(zhuǎn)化為有效動力，兩部分能量的比率取決于電池組輸出阻抗和電機控制器的等效輸入阻抗之比，電池組的阻抗越小，無用的熱耗就越小，輸出效率就更大。
1.10 壽命
單體電池壽命定義和測試程序已被人們普遍接受并形成許多標準，測試壽命時，可保證不過充、過放，也就不會提前失效，與單體不同，電池組的壽命測試目前的做法不科學，在一定程度上限制了動力鋰電池的實用化進程。提供者強調(diào)每只電池的電壓不可超越規(guī)定的限值，電池組的壽命應該是各單體電池壽命的最小者，其值應該與單體平均壽命相差不會太多，測試人員模擬電池組使用情況，用對單體電池相同的方法測試壽命，電壓限值取單體電壓限值與數(shù)量乘積，實際限制的是單體平均電壓，組內(nèi)單體電壓有低有高，對于幾十只、上百只的電池組，電壓、容量、內(nèi)阻的差異性總是客觀存在的，過充過放無法避免，并且一旦發(fā)生相關電池將很快報廢，因此就出現(xiàn)專家組測試的電動汽車動力電池組的壽命還沒有突破過百次。
1.11 安全
動力電池的工作條件苛刻，主要的安全問題是電池自身爆炸、燃燒和導致的電火，在電動汽車研發(fā)進程中，發(fā)生過多次起火事件，對電動汽車的發(fā)展造成了負面影響，通過多種渠道了解，在這些事故中，有電池自燃的，有車輛被燒毀的，甚至動用消防隊滅火，許多單位顧忌影響而施行保密策略，事發(fā)第一現(xiàn)場很難到場，總結(jié)這些不完全的事故信息，初步有以下推斷：
• 長期在庫存的電池未發(fā)生過自燃和爆炸，運輸過程中也沒出現(xiàn)自燃的；
• 電池爆炸發(fā)生于充電后期或已經(jīng)結(jié)束，充電設備和方法難脫干系；
• 外部電路短路可以造成強電弧或使導線燃燒，也可以導致自燃，一般的電壓、電流源都有此特性；
• 用組電壓或電流限制不能避免電池的過充過放；
• 過充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸，過放電（反充電）一次足以使電池報廢；
• 一些受試電池通過了苛刻的用沖鋒槍射擊、擠壓破裂短路、水淋、水泡等安規(guī)測試。
總之，電池的正確使用技術是非常重要的。
鋰離子電池具有單只端電壓高、比容量大等優(yōu)點，但其充電必須使用專用充電器，因為它在過充電時極易損壞。本文介紹的鋰離子電池充電器之所以稱“新創(chuàng)意”，是因為它除監(jiān)視電池的充電狀態(tài)外，還能分階段控制電池的最大充電電流。用本充電器充電開始時，充電電流從１０ｍＡ依次遞增至２７０ｍＡ，當電量充至７０％左右時，自動改用最大２２０ｍＡ充電，然后依次改為最大１７０ｍＡ、１２０ｍＡ和７０ｍＡ，最后以１０ｍＡ左右的涓流結(jié)束充電。這種充電方法可以較大限度地將鋰離子電池充足。
