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标题: 对蓄电池容量认识的困惑 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 13:48
标题: 对蓄电池容量认识的困惑
0 引言
　　目前，蓄电池的应用已渗透到了人们生产、生活的各个方面，特别是世界性石油危机多次爆发后，人们在未来能源应用的多元化开发与高效率利用中，蓄电池相对于提升水位蓄能，电解水制氢储氢蓄能等方法，有着独特的电能存储效率高的特点，可方便地组成各种不同电压和容量的电源应用系统；同时还兼有电能取出使用方便的特点，非常适合用作各种移动设备的工作电源与应急备用电源。该产品的诸多优良特性，是今后社会发展中，其它的电能储存产品与方法难以替代的，是今后最有发展前途的电源应用产品之一。
　　然而，由于人们对蓄电池一些最基本问题的认识，至今仍有许多原因并未完全弄明白。使得蓄电池在使用中维护过于困难，使用安全难以获得有效的保障，使用过程中的寿命更是难以捉摸，导致蓄电池的使用成本太高，影响着今天一些需要大规模应用蓄电池的产品，如电动汽车、可再生能源发电系统和各种后备式应急电源等产业的真正高效率、低成本、高可靠产业化开发的进程。
这些问题中，蓄电池的容量——安时(A._h)，又是最关键的问题之一。本文重点讨论如何进一步研究、认识、把握与运用好蓄电池容量这一重要的参数。
1 蓄电池容量定义的问题
　　蓄电池容量，是蓄电池充足电后放出电能大小的数值，单位为安时(A·h)，用方程描述，即

式中：C为蓄电池容量安时(A·h)；
I为蓄电池放电电流(A)；
t为蓄电池放电时间(h)。
　　式(1)描述了蓄电池储存电能能力的大小。如果作进一步的查询，许多经典的蓄电池著作和教材都有指出，在蓄电池容量有限的情况下，式(1)中测量负载的大小与测量时截止电压取值的高低，都将影响容量安时值(A·h)测量的大小。因此，容量安时不是一个单值数。它的大小，依从于测量与使用的条件和环境。在严格规定的条件下，按式(1)实验获得的容量值，是可以方便地用来比较蓄电池储存电能能力的。但离开严格规定条件下的滥用，却是造成今天蓄电池日常使用中众多问题无法取得突破和进展的根源。
2 蓄电池容量测量的需要与困难
　　特定实验条件下的蓄电池容量，是评价蓄电池性能优劣的重要参数,也是蓄电池在定值负载下工作时间长短的依据；更是该条件下蓄电池所谓完全放电后的充电标准。之所以强调完全放电，就是人们想在蓄电池每次放电实验后，有一个统一的充电接受的起始点，以利于蓄电池充电过程最大充电电流的确定,和蓄电池充电的安全；更便于充电器的没计选用，与充电过程控制的统一和简单化。为使蓄电池在一般使用情况下的充电，也能具有实验室条件下所具有的安全件。人们一直希望能寻找到一种在日常应用条件下，快速测量蓄电池容量的方法。主要目的有以下两方面：
　　(1)用来及时准确判断不同使用环境和条件下，蓄电池放电过程的终止点，也就是同一蓄电池放电后统一的充电起始点；
　(2)用来判断不同环境下，蓄电池充满电的情况，以便于及时关断蓄电池的充电电流，避免出现过充电给被充电蓄电池造成的失控损害。
　　例如现实应用中广泛采用的蓄电池电压变化测量法、蓄电池内阻变化测量法、以及现在提出来的SOC测量法等，都是人们想要实现这一想法的具体做法。蓄电池的电压和内阻与蓄电池容量并不存在必然的线性关系，只有蓄电池放电电流在时间轴上的积分，才是蓄电池的真实容量。蓄电池电压、内阻、与蓄电池容量的关系，即使有那么一点想象空间，由于非线性特性的客观存在，人们也是很难准确把握和利用的。至于SOC测量法：通俗说来，就是蓄电池的荷电状态判断法。推导的原始方程为：

　式中：SOC为蓄电池实时容量与出厂额定容量的百分比：
　Cr为负载上测量到的已用去的容量(A.h)；
　C为蓄电池出厂给出的额定容量(A·h)。
　　现在对蓄电池负载上用去的容量值Cr是否能准确代表蓄电池使用中容量的下降值暂且不论。就SOC测量法中当作基准的C来说，人们公认的蓄电池容量方程中已表明它不是一个单值数，它的大小要依从于测量和使用的条件。把它当作蓄电池使用中不变的标准，显然是某些人为主观因素的作用，因此，不可能用蓄电池单一的电压变化值与内阻变化值的测量和SOC测量法，直接求得蓄电池在日常使用中实时的实际容量。因此，蓄电池放电后的充电是很难落在同一起始点上的。同样的原因，蓄电池充满电的状态也是很难准确判断的。这就是造成今天蓄电池使用中的充电过程经常产生问题的根本原因。
　　如果蓄电池的电压、内阻和容量间复杂的非线性关系，有人一时还难以理解和接受，不妨用更直观和更简单的逻辑推理的疗式，对用蓄电池的端电压变化值和内阻变化值来判断容量缺乏科学依据进行进一步的说明，相信人们一定会不难理解：前面已列出了人们公认的蓄电池容量求证方程，从方程中可以清楚看到其中只包含有电流和时间因素的积分，也就是说，如果有人硬要拿容量方程之外的电压或内阻的测量来判断蓄电池的容量，显然是一厢情愿的主观做法，是无的放矢，也是不可能真正实现的。
3 蓄电池容量在使用过程中不确定性产生的原因
　　一般说来蓄电池在用户实际的使用过程中不同于实验室做实验，对环境温度、负载等条件有严格的规定。在一个变化很大的使用环境中，一般化学产品存在的不稳定性蓄电池也不会例外，必然导致有关蓄电池参数，其中包括容量参数在内存在一定范围的不确定性变化。
　　前面还淡到蓄电池的容量不是单值数，其大小依从于测量的条件，即使在实验室，同一只充满电的蓄电池用2C和0.5C等不同的电流放电，容量也有很大的不同，这已是一般的常识。用户在实际使用蓄电池时，实际的负载是一个大范围变化的负载，如其在电动交通产品上存在着很大的不确定性。
　　使用蓄电池，如同驾驶汽车使用燃油，不可能做到汽车每天行驶的路况，距离、速度、载重等都一样，也不可能每天在十字路口等红灯的时间也一样，因此，汽车每天所耗燃油量并不一样。蓄电池的使用与此极为相似，因为使用中的蓄电池，每天在使用中遇到的不确定因素，不但是使用前难以预料的，如果联系到前面谈到的蓄电池容量测量的困难，就不难想到使用过程中也是无法准确获知的。因此，蓄电池放电使用后到底余下了多少容量是不可能精确知道的。
　　不仅如此，它还与以下的问题有关：蓄电池储能系统，不同于燃油车储存能量物质的方式。燃油车从油箱中取出燃油送入发动机燃烧室时的损耗极小，可以忽略。因此油箱中的剩余油量是很容易获知的。蓄电池则不然，它在提供电流输出到工作负载的同时，蓄电池内阻与接触电阻上存在着不能忽略的能量损耗。而且，这种损耗的大小，与蓄电池能量输出的大小、时间成正比的关系。并且以热能的方式向周围空间发散。一般条件下，这种发散损耗与电池周围的温度、空气流速和散热条件有关，是很难精确测量的。
　　因此，蓄电池每次使用后到底余下了多少容量，也就具有了很大的不确定性。这一客观存在的事实，正好有力回答了前面SOC测量法方程中负载上测得的Cr值，不能用来代表日常使用中蓄电池实际容量的消耗值，这也从另一方面对SOC测量法缺乏科学依据，作出了较为客观与合理的回答。
　　客观地讲，还有一点值得人们关注的是，蓄电池的能量储存与汽车的一般型式的能量储存方式，是有本质差别的。汽口的油箱一但成为产品后，除非有意外的情况发生，储存燃油物质的容积一般是不会随环境发生变化的。蓄电池则不同，成为产品后虽然外型结构看上去不会随环境有太大的变化，但储存电能的大小和能力却是随外界环境变化的。这也是蓄电池储能系统令人难以掌控的复杂问题之一。
4 充电标准的迷失
　　下面进入本文讨论的核心问题，蓄电池从发明使用至今，电池出厂携带的说明书和外壳上标注的容量值安时(A.h)，就是人们使用蓄电池首先要选择的最重要的一个参数，更是蓄电池日后使用中，衡量过放电、过充电、与欠充电的标准。
　　作为标准，容量值安时(A·h)必须具备的条件是：不论蓄电池使用条件、环境、时间如何变化，至少蓄电池应在设计使用的寿命期间内，容量安时(A·h)值应是稳定不变的。又因容量的大小，除了是人们在使用中保障给工作负载提供足够能量的必要条件外，更是所谓蓄电池完全放电后，为保障蓄电池的使用安全与合理，选择充电器输出电流大小的唯一依据。充电器一经选定后，蓄电池日后放电后的充电过程，就只能按出厂标注的容量安时值(A·h)所确定的电流、电压、时间和程序，完成对蓄电池恢复容量的充电。蓄电池在人们的日常使用中是不是具有容量安时(A．h)值不变的原则和特性。前面从容量方程到测量困难和不确定因素的产生已谈了很多了，为了进一步说明问题，有必要将重点问口再简要重复一下。用户手中的蓄电池，由于使用环境的变化，使用时间长短的不同，放电电流大小的不同等原因，蓄电池在充电前容量的剩余值，人们是无法准确掌握的。退一步讲，就算用户每次的使用，能准确测出负载上用去了蓄电池多少容量值，由于蓄电池的标注容量在不同环境下的漂移与不稳定，使用过程中蓄电池的内阻等产生的热损耗不能准确获知，容量安时值(A·h)随蓄电池使用过程不同，存在不同的下降等。人们也根本不可能准确掌握蓄电池充电前真正的实际容量值。更关键的是，蓄电池容量快速实时的测量方法至今人们还不知它在何处，稳定不变的容量值标准，只是人们想象中的一个虚值，好比阿基米德要用来挑动地球的支点和杠杆，客观上并不存在。实际使用中的蓄电池充电前出现剩余容量为出厂标注容量的5％至50％，甚至80％等各种不同的情况，由于蓄电池使用中众多不确定因素的存在，应是经常出现和不可避免的。这样看来，蓄电池每次使用后实际需要补充的容量值安时(A·h)，与作为标准使用的出厂标注值已经出现了很大的差别。过去当作充电标准遵循的蓄电池标注容量值安时(A.h)，此时的合理性与科学性已经不再存在。造成了实际上蓄电池充电标准的丧失。这一丧失，也使按蓄电池出厂标注容量值选定的充电器的科学性与合理性也已经荡然无存。所以人们实际使用中的蓄电池，经常出现热失控，被充电充出问题，实在是事出有因。
　　如果人们对以上的看法和论述还有疑问，那么我们再来举一个常见的实例，供大家去调查、观察、和思考。当前我国发展较快的轻型电动车市场上，经常用到的塑料外壳阀控式蓄电池组，不论配用的是恒流或恒压方式的充电器，还是现在流行的多段式充电器，使用一年甚至几个月，大量电池就出现失水胀肚的报废原凶，归根结底，大都是由蓄电池使用中充电标准丧失后，产生了严重的过充电导致热失控造成的。
　　最近，几家全球著名计算机公司大批召回笔记本电脑所用日本索尼公司生产的锂电池，而且异口同声的理由就是热失控。热失控在不同蓄电池使用上的长期存在，已是一个不容忽视和回避的客观事实，同时也是今天蓄电池技术发展上最令人伤透脑筋与捉摸不透、最难突破的技求难题。我们认为，热失控问题产生的主要原因，无疑是蓄电池在传统充电理论指导下失去了充电标准所产生的结果。
5 结语
　　基本常识告诉我们，任何科学理论的正确立论，都应有一个稳定的客观标准。并能长期接受实验、使用和时间的验证。蓄电池的出厂标注容量值分明是一个随使用条件、环境和时间不断变化的不稳定参数。用这样一个参数作蓄电池充电的长期标准，显然是违背科学常理的错误做法．
　　上述蓄电池允电标准的迷失，产生的不良后果是不言自明的。它不可避免地要影响到蓄电池的正确使用与使用寿命，同时也要影响到蓄电池的研究、设计与制造思路。现在广泛使用的这套传统的蓄电池充电理论，它与蓄电池客观上存在的非线性系统的复杂性特性，存在着很大的差异。人们显然是受传统认识论与方法的局限，才导致今天蓄电池的使用长期出现热失控等无法解决的问题。只有跳出传统充电理论的束缚，重视蓄电池客观上存在的内在规律，从中找出产生问题的原因，针对原因采取合适的措施，才会使蓄电池使用中出现的问题，获得真正的解决。
作者：何镇宇，何毅然

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