探讨充电电池各种难以克服的问题、其原因及弥补这些问题的方法
来源：宝鄂实业
2019-06-23 20:19
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电池的性能退化一方面是使用和老化的自然结果，另一方面则由于缺乏维护、苛刻的使用环境以及不良的充电操作等等加速其劣化。下面将探讨充电电池各种难以克服的问题、其原因及弥补这些问题的方法。
高的自放电率
各种电池都存在自放电，但使用不当会促使这种状态的发展。自放电率呈渐近线规律，最高的放电率出现在刚充电之后，然后逐渐减小。
镍基电池表现出较高的自放电率。在正常环境温度下，新的镍镉电池充电后，在第一个24h期间其电高量约减少10%。此后，自放电率稳定至每个月约10％。通常温度较高，其放电率也增大。一般的准则是：温度每升高10℃自放电率增大1倍。镍金属氢化物电池的自放电率比镍镉电池约大30％。
镍基电池经过数百次循环后其自放电率也增大，电池的极板开始膨胀从而更紧密地挤压电极之间的隔膜，形成金属树枝状晶体，这是结晶体生长的结果(记忆效应)，从而损坏了电池隔膜，增大了自放电率。如果镍基电池在24h的自放电达30%时，应予弃用。
镍离子电池在充电后的第一个24h的自放电率为5%。此后下降至每月1％-2％，电池的安全保护电路增加约3％。高的循环次数和老化对锂基电池的自放电率没有影响。铅酸电池的自放电率约每月5％或者每年50％，重复性的深度循环充放电则使自放电增大。
电池自放电的百分率可用电池分析仪加以测定，但此程序需要数小时。测得的电池内阻常可反映电池的内阻是否过高。此参数可用阻抗计测量或用电池分析仪的欧姆测试程序。
电池的匹配
即使采用了现代化的生产制造技术，电池的容量也不可能准确预测，尤其是对镍基电池。制造过程中，将每个电池以其容量的大小加以检测并分类。高容量“A”类电池通常以优质级价格按特殊用途电池出售；中等容量“B”类电池应用于工业和商业产品；低端“C”类电池则以廉价出售。通过循环充放电并不能改善低端类别电池的容量。购买低价的可充电电池所得的是低电池容量。
在以多个电池组成的电池组中，电池的匹配应控制在±2.5％以内。在组成电池个数多的电池组中，以及需输出大负载电流和在低温下工作的电池组，需要更严格的电池容差控制。在一个新的电池组中的各个电池如果稍有小的失配，在经过数次充电循环后，将能互相平衡自行适应。电池之间能否很好地平衡适应，关係到电池组是否具有较长的使用寿命。
为何电池的匹配如此重要？这是因为一个“弱”电池含有的容量较小，它比“强”电池更快地放充电。这种放电过程的不平衡导致“弱”电池在放电经过低电压时，电池极性会反转。在充电时“弱”电池在被充过程中首先进入发热过充状态，而此时较强的电池仍能正常地接受充电并不发热。在这两种情况下“弱”电池处于不利的状态，使它变得更“弱”而导致严重的失配。
优质电池比低质量电池的电容量更为一致也更为均衡。对高端大功率工具应选用高质量电池，因其在大负荷和极端的温度环境下可有高的耐久性。虽付出高成本，然而其回报是电池组有更长的寿命。
锂基电池从生产线上下来时其本质性能就匹配得很好。在电池组内部各单个电池需符合严格的容差是非常重要的。电池组所有的电池必须在统一的时间之内达到充电满量，而且在放电终结时达到同样的门限电压。电池组内置的保护电路应在电池出现不正常的工作状态时起到安全保护作用。
短路的电池
电池生产厂商常常无法解释当电池还处于较新的状态时，为何某些电池显示出高的漏电率或者出现电气短路。其可疑的原因是电池在制造过程中可能混入了外来颗粒杂质。另一种是电极上的粗糙点造成对隔膜的损伤。因此对电池应改善其制造过程，这可大大地减少电池的“早期失效率”(infant mortality)。
深度放电造成电池的极性反转也会导致电池短路。如果镍基电池在大电流放电至彻底放光时，这种状态也可能出现。高的反向电流可造成永久性的电短路。另一种原因是由不可控的晶状体的形成导致的隔膜损伤，这就是所谓的记忆效应。
采用瞬时大电流脉冲试图修復短路的电池，其成功率极为有限。这种短路可能暂时被蒸发，但是对隔膜材料的损伤依然存在。这种修復后的电池常表现有高的放电率并且短路还会再次出现。在一个已老化的电池组中更换某个短路电池并非可取。除非这个新电池在电池电压和容量上与电池组中的其它电池性能一样是匹配的。
电解液的损耗
电池虽然都是密封的，但在其使用寿命期间会损失一些电解液，特别是如果由于粗心不适当充电产生过大的气体压力以致出现气体排放。一旦出现气体排放，在镍基电池上的弹簧加压的排气密封垫可能难以完好地再封闭，从而造成密封垫周围淀积起白色粉末，电解液的损耗最终将降低电池容量。
渗透或是在气阀调节的铅酸电池(VRCA)中电解液的损耗是一个久已存在的问题。其原因是过充以及在高温下工作造成的。用加水补充电解液的损耗成效是有限的，虽然可以部分地恢覆电池容量，但电池的性能将不甚可靠。
如果正确地充电，锂离子电池应不产生气体以致出现排气的问题。但是锂离子电池在某些条件下也会产生内部压力。某些电池内部配置——电路开关，当电池压力达到某个临界值时，该开关可切断电流。另外有些电池则设计成一种可控的方式或打开安全隔膜以释放气体。
被认为是未来汽车的电动汽车是电动源、电机和整车三大技术的结合体，电动源是电动汽车的核心部件，目前已经形成动力锂离子电池及其专用材料的开发热潮。做为一种新型的动力技术，锂电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需要，单体性能上的参差不齐并不全是缘于电池的生产技术问题，从涂膜开始到成品要经过多道工序，即使每道工序都经过严格的检测程序，使每只电池的电压、内阻、容量一致，使用一段时间以后，也会产生差异，使得锂动力电池的使用技术问题迫在眉睫，而且必须尽快解决。
高的自放电率
各种电池都存在自放电，但使用不当会促使这种状态的发展。自放电率呈渐近线规律，最高的放电率出现在刚充电之后，然后逐渐减小。
镍基电池表现出较高的自放电率。在正常环境温度下，新的镍镉电池充电后，在第一个24h期间其电高量约减少10%。此后，自放电率稳定至每个月约10％。通常温度较高，其放电率也增大。一般的准则是：温度每升高10℃自放电率增大1倍。镍金属氢化物电池的自放电率比镍镉电池约大30％。
镍基电池经过数百次循环后其自放电率也增大，电池的极板开始膨胀从而更紧密地挤压电极之间的隔膜，形成金属树枝状晶体，这是结晶体生长的结果(记忆效应)，从而损坏了电池隔膜，增大了自放电率。如果镍基电池在24h的自放电达30%时，应予弃用。
镍离子电池在充电后的第一个24h的自放电率为5%。此后下降至每月1％-2％，电池的安全保护电路增加约3％。高的循环次数和老化对锂基电池的自放电率没有影响。铅酸电池的自放电率约每月5％或者每年50％，重复性的深度循环充放电则使自放电增大。
电池自放电的百分率可用电池分析仪加以测定，但此程序需要数小时。测得的电池内阻常可反映电池的内阻是否过高。此参数可用阻抗计测量或用电池分析仪的欧姆测试程序。
电池的匹配
即使采用了现代化的生产制造技术，电池的容量也不可能准确预测，尤其是对镍基电池。制造过程中，将每个电池以其容量的大小加以检测并分类。高容量“A”类电池通常以优质级价格按特殊用途电池出售；中等容量“B”类电池应用于工业和商业产品；低端“C”类电池则以廉价出售。通过循环充放电并不能改善低端类别电池的容量。购买低价的可充电电池所得的是低电池容量。
在以多个电池组成的电池组中，电池的匹配应控制在±2.5％以内。在组成电池个数多的电池组中，以及需输出大负载电流和在低温下工作的电池组，需要更严格的电池容差控制。在一个新的电池组中的各个电池如果稍有小的失配，在经过数次充电循环后，将能互相平衡自行适应。电池之间能否很好地平衡适应，关係到电池组是否具有较长的使用寿命。
为何电池的匹配如此重要？这是因为一个“弱”电池含有的容量较小，它比“强”电池更快地放充电。这种放电过程的不平衡导致“弱”电池在放电经过低电压时，电池极性会反转。在充电时“弱”电池在被充过程中首先进入发热过充状态，而此时较强的电池仍能正常地接受充电并不发热。在这两种情况下“弱”电池处于不利的状态，使它变得更“弱”而导致严重的失配。
优质电池比低质量电池的电容量更为一致也更为均衡。对高端大功率工具应选用高质量电池，因其在大负荷和极端的温度环境下可有高的耐久性。虽付出高成本，然而其回报是电池组有更长的寿命。
锂基电池从生产线上下来时其本质性能就匹配得很好。在电池组内部各单个电池需符合严格的容差是非常重要的。电池组所有的电池必须在统一的时间之内达到充电满量，而且在放电终结时达到同样的门限电压。电池组内置的保护电路应在电池出现不正常的工作状态时起到安全保护作用。
短路的电池
电池生产厂商常常无法解释当电池还处于较新的状态时，为何某些电池显示出高的漏电率或者出现电气短路。其可疑的原因是电池在制造过程中可能混入了外来颗粒杂质。另一种是电极上的粗糙点造成对隔膜的损伤。因此对电池应改善其制造过程，这可大大地减少电池的“早期失效率”(infant mortality)。
深度放电造成电池的极性反转也会导致电池短路。如果镍基电池在大电流放电至彻底放光时，这种状态也可能出现。高的反向电流可造成永久性的电短路。另一种原因是由不可控的晶状体的形成导致的隔膜损伤，这就是所谓的记忆效应。
采用瞬时大电流脉冲试图修復短路的电池，其成功率极为有限。这种短路可能暂时被蒸发，但是对隔膜材料的损伤依然存在。这种修復后的电池常表现有高的放电率并且短路还会再次出现。在一个已老化的电池组中更换某个短路电池并非可取。除非这个新电池在电池电压和容量上与电池组中的其它电池性能一样是匹配的。
电解液的损耗
电池虽然都是密封的，但在其使用寿命期间会损失一些电解液，特别是如果由于粗心不适当充电产生过大的气体压力以致出现气体排放。一旦出现气体排放，在镍基电池上的弹簧加压的排气密封垫可能难以完好地再封闭，从而造成密封垫周围淀积起白色粉末，电解液的损耗最终将降低电池容量。
渗透或是在气阀调节的铅酸电池(VRCA)中电解液的损耗是一个久已存在的问题。其原因是过充以及在高温下工作造成的。用加水补充电解液的损耗成效是有限的，虽然可以部分地恢覆电池容量，但电池的性能将不甚可靠。
如果正确地充电，锂离子电池应不产生气体以致出现排气的问题。但是锂离子电池在某些条件下也会产生内部压力。某些电池内部配置——电路开关，当电池压力达到某个临界值时，该开关可切断电流。另外有些电池则设计成一种可控的方式或打开安全隔膜以释放气体。
被认为是未来汽车的电动汽车是电动源、电机和整车三大技术的结合体，电动源是电动汽车的核心部件，目前已经形成动力锂离子电池及其专用材料的开发热潮。做为一种新型的动力技术，锂电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需要，单体性能上的参差不齐并不全是缘于电池的生产技术问题，从涂膜开始到成品要经过多道工序，即使每道工序都经过严格的检测程序，使每只电池的电压、内阻、容量一致，使用一段时间以后，也会产生差异，使得锂动力电池的使用技术问题迫在眉睫，而且必须尽快解决。
动力电池组的使用寿命受多种因素影响，如果电池组寿命低于单体平均寿命的一半以下，可以推断都是由于使用技术不当造成的，首要原因当推过充和过放导致单体电池提前失效。本文结合锂动力电池特性、电子电源、计算机控制技术研究动力电池组的使用技术，探讨动力电池组的均衡控制和管理。
1 动力电池主要性能参数
1.1 电压
开路电压=电动势+电极过电位，工作电压=开路电压+电流在电池内部阻抗上产生的电压降。电动势由电极和电解质材料特性决定，电极的过电位与材料活性、荷电状态和工况有关。金属锂标准电极电位-3.05V，3V 锂电池3.3~2.3V，4V 锂4.2~3.7V，5V 锂4.9V~3.0V。
1.2 内阻
电池在短时间内的稳态模型可以看作为一个电压源，其内部阻抗等效为电压源内阻，内阻大小决定了电池的使用效率。电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻两部分，欧姆电阻不随激励信号频率变化，又称交流电阻，在同一充放电周期内，欧姆电阻除温升影响外变化很小。极化电阻由电池电化学特性对外部充放电表现出的抵抗反应产生，与电池荷电、充放强度、材料活性都有关。同批电池，内阻过大或过小者都不正常，内阻过小可能意味材料枝晶生长和微短路，内阻太大又可能是极板老化、活性物质丧失、容量衰减，内阻变化可以作为电池裂化的充分性参考依据之一。
1.3 温升
电池温升定义为电池内部温度与环境温度的差值。多数锂电池充电时属吸热反应，放电时为放热反应，两者都包含内阻热耗。充电初期，极化电阻最小，吸热反应处于主导地位，电池温升可能出现负值，充电后期，阻抗增大，释热多于吸热，温升增加，过充时，随不可逆反应的出现，逸出气体，内压、温升升高，直到变形、爆裂。
1.4 内压
电池内部压力，由于电池内部反应逸出气体导致气压增大，气压过大将撑破壳体和发生爆裂，基于安全考虑，一方面锂电池都设计了单向的防爆阀门，一方面用塑壳制造。析气反应常伴随着不可逆反应，也就意味着活性物质的损失、电池容量的下降，无析气、小温升充放电是最理想的。
1.5 电量
电学里，电量用 Wh 表示，是能量单位，一度电等于1kWh，电池常用Ah 计算电量，对于动力电池侧重于功率和能量大小，用Wh 更直接一些，因为电池的电压是变化的，其全程变化量可达到极大值的一半左右，用Ah 计算电量不能正确描述电池的动力驱动能力，但Ah 作为电池的电量单位自有其历史和道理，在不引起歧义的地方两种电量单位都可以使用。
1.6 荷电
电池还有多少电量，又称剩余电量，常取其与额定容量或实际容量的比值，称荷电程度。是人们在使用中最关心的、也是最不易获得的参数数据，人们试图通过测量内阻、电压电流的变化等推算荷电量，做了许多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到统计数据的有效支持，指示的荷电程度总是非线性变化。
1.7 容量
电池在充足电以后，开始放电直到放空电为止，能输出的最大电量。容量与放电电流大小有关，与充放电截止电压也有关系，故容量定义为小时率容量，动力电池常用1 小时率（1C）或2 小时率(0.5C)容量。电池在化成之前材料的活性不能正常发挥，容量很小，化成过程开始后，电池进入其生命期，在整个生命期里，电池的活化和劣化过程是一个问题的两个方面，初期活化作用处于主导地位，电池容量逐渐上升，以后，活化和劣化作用都不明显或相当，后期，劣化作用显著，容量衰减，规定容量衰减到一定比例(60%)后，电池寿命终结。
1.8 功率
电学定义直流电源的输出功率等于输出电压与电流的乘积，锂电池单体电压高，在相同的输出电流下，其功率分别是铅酸、镍镉镍氢的 1.8 倍和3 倍。电动汽车用动力电池组的负载是电机控制器，电机控制器根据车速变化调整输出功率，短时间来看，电池组驱动的是恒功率负载，这个功率变化的范围极大，制动时有与加速时相近的反向逆变功率。
1.9 效率
电池的效率指电池的充放电效率或能量输出效率，本文指后者。对于电动汽车，续驶里程是最重要指标之一，在电池组电量和输出阻抗一定的前提下，根据能量守恒定律，电池组输出的能量转化为两部分，一部分作为热耗散失在电阻上，另一部分提供给电机控制器转化为有效动力，两部分能量的比率取决于电池组输出阻抗和电机控制器的等效输入阻抗之比，电池组的阻抗越小，无用的热耗就越小，输出效率就更大。
1.10 寿命
单体电池寿命定义和测试程序已被人们普遍接受并形成许多标准，测试寿命时，可保证不过充、过放，也就不会提前失效，与单体不同，电池组的寿命测试目前的做法不科学，在一定程度上限制了动力锂电池的实用化进程。提供者强调每只电池的电压不可超越规定的限值，电池组的寿命应该是各单体电池寿命的最小者，其值应该与单体平均寿命相差不会太多，测试人员模拟电池组使用情况，用对单体电池相同的方法测试寿命，电压限值取单体电压限值与数量乘积，实际限制的是单体平均电压，组内单体电压有低有高，对于几十只、上百只的电池组，电压、容量、内阻的差异性总是客观存在的，过充过放无法避免，并且一旦发生相关电池将很快报废，因此就出现专家组测试的电动汽车动力电池组的寿命还没有突破过百次。
1.11 安全
动力电池的工作条件苛刻，主要的安全问题是电池自身爆炸、燃烧和导致的电火，在电动汽车研发进程中，发生过多次起火事件，对电动汽车的发展造成了负面影响，通过多种渠道了解，在这些事故中，有电池自燃的，有车辆被烧毁的，甚至动用消防队灭火，许多单位顾忌影响而施行保密策略，事发第一现场很难到场，总结这些不完全的事故信息，初步有以下推断：
• 长期在库存的电池未发生过自燃和爆炸，运输过程中也没出现自燃的；
• 电池爆炸发生于充电后期或已经结束，充电设备和方法难脱干系；
• 外部电路短路可以造成强电弧或使导线燃烧，也可以导致自燃，一般的电压、电流源都有此特性；
• 用组电压或电流限制不能避免电池的过充过放；
• 过充电可能使电池变形、失效、燃烧、甚至爆炸，过放电（反充电）一次足以使电池报废；
• 一些受试电池通过了苛刻的用冲锋枪射击、挤压破裂短路、水淋、水泡等安规测试。
总之，电池的正确使用技术是非常重要的。
锂离子电池具有单只端电压高、比容量大等优点，但其充电必须使用专用充电器，因为它在过充电时极易损坏。本文介绍的锂离子电池充电器之所以称“新创意”，是因为它除监视电池的充电状态外，还能分阶段控制电池的最大充电电流。用本充电器充电开始时，充电电流从１０ｍＡ依次递增至２７０ｍＡ，当电量充至７０％左右时，自动改用最大２２０ｍＡ充电，然后依次改为最大１７０ｍＡ、１２０ｍＡ和７０ｍＡ，最后以１０ｍＡ左右的涓流结束充电。这种充电方法可以较大限度地将锂离子电池充足。
