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對非凡蓄電池容量認識的困惑摘要
對非凡蓄電池容量認識的困惑摘要
討論了非凡蓄電池容量定義的問(wèn)題和非凡蓄電池應用中容量測量的需要與困難，分析了不確定因素的來(lái)源，重點(diǎn)論述了過(guò)分依賴(lài)非凡蓄電池出廠(chǎng)標注容量值——安時(shí)(A·h)，作為非凡蓄電池日常使用中充電標準存在的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞：非凡蓄電池；容量；不確定性；充電；標準0引言
目前，非凡蓄電池的應用已滲透到了人們生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，特別是世界性石油危機多次爆發(fā)后，人們在未來(lái)能源應用的多元化開(kāi)發(fā)與高效率利用中，非凡蓄電池相對于提升水位蓄能，電解水制氫儲氫蓄能等方法，有著(zhù)獨特的電能存儲效率高的特點(diǎn)，可方便地組成各種不同電壓和容量的電源應用系統；同時(shí)還兼有電能取出使用方便的特點(diǎn)，非常適合用作各種移動(dòng)設備的工作電源與應急備用電源。該產(chǎn)品的諸多優(yōu)良特性，是今后社會(huì )發(fā)展中，其它的電能儲存產(chǎn)品與方法難以替代的，是今后最有發(fā)展前途的電源應用產(chǎn)品之一。
然而，由于人們對非凡蓄電池一些最基本問(wèn)題的認識，至今仍有許多原因并未完全弄明白。使得非凡蓄電池在使用中維護過(guò)于困難，使用安全難以獲得有效的保障，使用過(guò)程中的壽命更是難以捉摸，導致非凡蓄電池的使用成本太高，影響著(zhù)今天一些需要大規模應用非凡蓄電池的產(chǎn)品，如電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源發(fā)電系統和各種后備式應急電源等產(chǎn)業(yè)的真正高效率、低成本、高可靠產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。這些問(wèn)題中，非凡蓄電池的容量——安時(shí)(A._h)，又是最關(guān)鍵的問(wèn)題之一。本文重點(diǎn)討論如何進(jìn)一步研究、認識、把握與運用好非凡蓄電池容量這一重要的參數。
1非凡蓄電池容量定義的問(wèn)題
非凡蓄電池容量，是非凡蓄電池充足電后放出電能大小的數值，單位為安時(shí)(A·h)，用方程描述，即
式中：C為非凡蓄電池容量安時(shí)(A·h)；
I為非凡蓄電池放電電流(A)；
t為非凡蓄電池放電時(shí)間(h)。
式(1)描述了非凡蓄電池儲存電能能力的大小。如果作進(jìn)一步的查詢(xún)，許多經(jīng)典的非凡蓄電池著(zhù)作和教材都有指出，在非凡蓄電池容量有限的情況下，式(1)中測量負載的大小與測量時(shí)截止電壓取值的高低，都將影響容量安時(shí)值(A·h)測量的大小。因此，容量安時(shí)不是一個(gè)單值數。它的大小，依從于測量與使用的條件和環(huán)境。在嚴格規定的條件下，按式(1)實(shí)驗獲得的容量值，是可以方便地用來(lái)比較非凡蓄電池儲存電能能力的。但離開(kāi)嚴格規定條件下的濫用，卻是造成今天非凡蓄電池日常使用中眾多問(wèn)題無(wú)法取得突破和進(jìn)展的根源。
2非凡蓄電池容量測量的需要與困難
特定實(shí)驗條件下的非凡蓄電池容量，是評價(jià)非凡蓄電池性能優(yōu)劣的重要參數,也是非凡蓄電池在定值負載下工作時(shí)間長(cháng)短的依據；更是該條件下非凡蓄電池所謂完全放電后的充電標準。之所以強調完全放電，就是人們想在非凡蓄電池每次放電實(shí)驗后，有一個(gè)統一的充電接受的起始點(diǎn)，以利于非凡蓄電池充電過(guò)程最大充電電流的確定,和非凡蓄電池充電的安全；更便于充電器的沒(méi)計選用，與充電過(guò)程控制的統一和簡(jiǎn)單化。為使非凡蓄電池在一般使用情況下的充電，也能具有實(shí)驗室條件下所具有的安全件。人們一直希望能尋找到一種在日常應用條件下，快速測量非凡蓄電池容量的方法。主要目的有以下兩方面：
(1)用來(lái)及時(shí)準確判斷不同使用環(huán)境和條件下，非凡蓄電池放電過(guò)程的終止點(diǎn)，也就是同一非凡蓄電池放電后統一的充電起始點(diǎn)；
(2)用來(lái)判斷不同環(huán)境下，非凡蓄電池充滿(mǎn)電的情況，以便于及時(shí)關(guān)斷非凡蓄電池的充電電流，避免出現過(guò)充電給被充電非凡蓄電池造成的失控損害。
例如現實(shí)應用中廣泛采用的非凡蓄電池電壓變化測量法、非凡蓄電池內阻變化測量法、以及現在提出來(lái)的SOC測量法等，都是人們想要實(shí)現這一想法的具體做法。非凡蓄電池的電壓和內阻與非凡蓄電池容量并不存在必然的線(xiàn)性關(guān)系，只有非凡蓄電池放電電流在時(shí)間軸上的積分，才是非凡蓄電池的真實(shí)容量。非凡蓄電池電壓、內阻、與非凡蓄電池容量的關(guān)系，即使有那么一點(diǎn)想象空間，由于非線(xiàn)性特性的客觀(guān)存在，人們也是很難準確把握和利用的。至于SOC測量法：通俗說(shuō)來(lái)，就是非凡蓄電池的荷電狀態(tài)判斷法。推導的原始方程為：
式中：SOC為非凡蓄電池實(shí)時(shí)容量與出廠(chǎng)額定容量的百分比：
Cr為負載上測量到的已用去的容量(A.h)；
C為非凡蓄電池出廠(chǎng)給出的額定容量(A·h)。
現在對非凡蓄電池負載上用去的容量值Cr是否能準確代表非凡蓄電池使用中容量的下降值暫且不論。就SOC測量法中當作基準的C來(lái)說(shuō)，人們公認的非凡蓄電池容量方程中已表明它不是一個(gè)單值數，它的大小要依從于測量和使用的條件。把它當作非凡蓄電池使用中不變的標準，顯然是某些人為主觀(guān)因素的作用，因此，不可能用非凡蓄電池單一的電壓變化值與內阻變化值的測量和SOC測量法，直接求得非凡蓄電池在日常使用中實(shí)時(shí)的實(shí)際容量。因此，非凡蓄電池放電后的充電是很難落在同一起始點(diǎn)上的。同樣的原因，非凡蓄電池充滿(mǎn)電的狀態(tài)也是很難準確判斷的。這就是造成今天非凡蓄電池使用中的充電過(guò)程經(jīng)常產(chǎn)生問(wèn)題的根本原因。
如果非凡蓄電池的電壓、內阻和容量間復雜的非線(xiàn)性關(guān)系，有人一時(shí)還難以理解和接受，不妨用更直觀(guān)和更簡(jiǎn)單的邏輯推理的療式，對用非凡蓄電池的端電壓變化值和內阻變化值來(lái)判斷容量缺乏科學(xué)依據進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明，相信人們一定會(huì )不難理解：前面已列出了人們公認的非凡蓄電池容量求證方程，從方程中可以清楚看到其中只包含有電流和時(shí)間因素的積分，也就是說(shuō)，如果有人硬要拿容量方程之外的電壓或內阻的測量來(lái)判斷非凡蓄電池的容量，顯然是一廂情愿的主觀(guān)做法，是無(wú)的放矢，也是不可能真正實(shí)現的。
3非凡蓄電池容量在使用過(guò)程中不確定性產(chǎn)生的原因
一般說(shuō)來(lái)非凡蓄電池在用戶(hù)實(shí)際的使用過(guò)程中不同于實(shí)驗室做實(shí)驗，對環(huán)境溫度、負載等條件有嚴格的規定。在一個(gè)變化很大的使用環(huán)境中，一般化學(xué)產(chǎn)品存在的不穩定性非凡蓄電池也不會(huì )例外，必然導致有關(guān)非凡蓄電池參數，其中包括容量參數在內存在一定范圍的不確定性變化。
前面還淡到非凡蓄電池的容量不是單值數，其大小依從于測量的條件，即使在實(shí)驗室，同一只充滿(mǎn)電的非凡蓄電池用2C和0.5C等不同的電流放電，容量也有很大的不同，這已是一般的常識。用戶(hù)在實(shí)際使用非凡蓄電池時(shí)，實(shí)際的負載是一個(gè)大范圍變化的負載，如其在電動(dòng)交通產(chǎn)品上存在著(zhù)很大的不確定性。
使用非凡蓄電池，如同駕駛汽車(chē)使用燃油，不可能做到汽車(chē)每天行駛的路況，距離、速度、載重等都一樣，也不可能每天在十字路口等紅燈的時(shí)間也一樣，因此，汽車(chē)每天所耗燃油量并不一樣。非凡蓄電池的使用與此極為相似，因為使用中的非凡蓄電池，每天在使用中遇到的不確定因素，不但是使用前難以預料的，如果聯(lián)系到前面談到的非凡蓄電池容量測量的困難，就不難想到使用過(guò)程中也是無(wú)法準確獲知的。因此，非凡蓄電池放電使用后到底余下了多少容量是不可能精確知道的。不僅如此，它還與以下的問(wèn)題有關(guān)：非凡蓄電池儲能系統，不同于燃油車(chē)儲存能量物質(zhì)的方式。燃油車(chē)從油箱中取出燃油送入發(fā)動(dòng)機燃燒室時(shí)的損耗極小，可以忽略。因此油箱中的剩余油量是很容易獲知的。非凡蓄電池則不然，它在提供電流輸出到工作負載的同時(shí)，非凡蓄電池內阻與接觸電阻上存在著(zhù)不能忽略的能量損耗。而且，這種損耗的大小，與非凡蓄電池能量輸出的大小、時(shí)間成正比的關(guān)系。并且以熱能的方式向周?chē)臻g發(fā)散。一般條件下，這種發(fā)散損耗與電池周?chē)臏囟�、空氣流速和散熱條件有關(guān)，是很難精確測量的。
因此，非凡蓄電池每次使用后到底余下了多少容量，也就具有了很大的不確定性。這一客觀(guān)存在的事實(shí)，正好有力回答了前面SOC測量法方程中負載上測得的Cr值，不能用來(lái)代表日常使用中非凡蓄電池實(shí)際容量的消耗值，這也從另一方面對SOC測量法缺乏科學(xué)依據，作出了較為客觀(guān)與合理的回答。
客觀(guān)地講，還有一點(diǎn)值得人們關(guān)注的是，非凡蓄電池的能量?jì)Υ媾c汽車(chē)的一般型式的能量?jì)Υ娣绞�，是有本質(zhì)差別的。汽口的油箱一但成為產(chǎn)品后，除非有意外的情況發(fā)生，儲存燃油物質(zhì)的容積一般是不會(huì )隨環(huán)境發(fā)生變化的。非凡蓄電池則不同，成為產(chǎn)品后雖然外型結構看上去不會(huì )隨環(huán)境有太大的變化，但儲存電能的大小和能力卻是隨外界環(huán)境變化的。這也是非凡蓄電池儲能系統令人難以掌控的復雜問(wèn)題之一。
4充電標準的迷失
下面進(jìn)入本文討論的核心問(wèn)題，非凡蓄電池從發(fā)明使用至今，電池出廠(chǎng)攜帶的說(shuō)明書(shū)和外殼上標注的容量值安時(shí)(A.h)，就是人們使用非凡蓄電池首先要選擇的最重要的一個(gè)參數，更是非凡蓄電池日后使用中，衡量過(guò)放電、過(guò)充電、與欠充電的標準。
作為標準，容量值安時(shí)(A·h)必須具備的條件是：不論非凡蓄電池使用條件、環(huán)境、時(shí)間如何變化，至少非凡蓄電池應在設計使用的壽命期間內，容量安時(shí)(A·h)值應是穩定不變的。又因容量的大小，除了是人們在使用中保障給工作負載提供足夠能量的必要條件外，更是所謂非凡蓄電池完全放電后，為保障非凡蓄電池的使用安全與合理，選擇充電器輸出電流大小的唯一依據。充電器一經(jīng)選定后，非凡蓄電池日后放電后的充電過(guò)程，就只能按出廠(chǎng)標注的容量安時(shí)值(A·h)所確定的電流、電壓、時(shí)間和程序，完成對非凡蓄電池恢復容量的充電。非凡蓄電池在人們的日常使用中是不是具有容量安時(shí)(A．h)值不變的原則和特性。前面從容量方程到測量困難和不確定因素的產(chǎn)生已談了很多了，為了進(jìn)一步說(shuō)明問(wèn)題，有必要將重點(diǎn)問(wèn)口再簡(jiǎn)要重復一下。用戶(hù)手中的非凡蓄電池，由于使用環(huán)境的變化，使用時(shí)間長(cháng)短的不同，放電電流大小的不同等原因，非凡蓄電池在充電前容量的剩余值，人們是無(wú)法準確掌握的。退一步講，就算用戶(hù)每次的使用，能準確測出負載上用去了非凡蓄電池多少容量值，由于非凡蓄電池的標注容量在不同環(huán)境下的漂移與不穩定，使用過(guò)程中非凡蓄電池的內阻等產(chǎn)生的熱損耗不能準確獲知，容量安時(shí)值(A·h)隨非凡蓄電池使用過(guò)程不同，存在不同的下降等。人們也根本不可能準確掌握非凡蓄電池充電前真正的實(shí)際容量值。更關(guān)鍵的是，非凡蓄電池容量快速實(shí)時(shí)的測量方法至今人們還不知它在何處，穩定不變的容量值標準，只是人們想象中的一個(gè)虛值，好比阿基米德要用來(lái)挑動(dòng)地球的支點(diǎn)和杠桿，客觀(guān)上并不存在。實(shí)際使用中的非凡蓄電池充電前出現剩余容量為出廠(chǎng)標注容量的5％至50％，甚至80％等各種不同的情況，由于非凡蓄電池使用中眾多不確定因素的存在，應是經(jīng)常出現和不可避免的。這樣看來(lái)，非凡蓄電池每次使用后實(shí)際需要補充的容量值安時(shí)(A·h)，與作為標準使用的出廠(chǎng)標注值已經(jīng)出現了很大的差別。過(guò)去當作充電標準遵循的非凡蓄電池標注容量值安時(shí)(A.h)，此時(shí)的合理性與科學(xué)性已經(jīng)不再存在。造成了實(shí)際上非凡蓄電池充電標準的喪失。這一喪失，也使按非凡蓄電池出廠(chǎng)標注容量值選定的充電器的科學(xué)性與合理性也已經(jīng)蕩然無(wú)存。所以人們實(shí)際使用中的非凡蓄電池，經(jīng)常出現熱失控，被充電充出問(wèn)題，實(shí)在是事出有因。
如果人們對以上的看法和論述還有疑問(wèn)，那么我們再來(lái)舉一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)例，供大家去調查、觀(guān)察、和思考。當前我國發(fā)展較快的輕型電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)上，經(jīng)常用到的塑料外殼閥控式非凡蓄電池組，不論配用的是恒流或恒壓方式的充電器，還是現在流行的多段式充電器，使用一年甚至幾個(gè)月，大量電池就出現失水脹肚的報廢原兇，歸根結底，大都是由非凡蓄電池使用中充電標準喪失后，產(chǎn)生了嚴重的過(guò)充電導致熱失控造成的。
最近，幾家全球著(zhù)名計算機公司大批召回筆記本電腦所用日本索尼公司生產(chǎn)的鋰電池，而且異口同聲的理由就是熱失控。熱失控在不同非凡蓄電池使用上的長(cháng)期存在，已是一個(gè)不容忽視和回避的客觀(guān)事實(shí)，同時(shí)也是今天非凡蓄電池技術(shù)發(fā)展上最令人傷透腦筋與捉摸不透、最難突破的技求難題。我們認為，熱失控問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因，無(wú)疑是非凡蓄電池在傳統充電理論指導下失去了充電標準所產(chǎn)生的結果。5結語(yǔ)
基本常識告訴我們，任何科學(xué)理論的正確立論，都應有一個(gè)穩定的客觀(guān)標準。并能長(cháng)期接受實(shí)驗、使用和時(shí)間的驗證。非凡蓄電池的出廠(chǎng)標注容量值分明是一個(gè)隨使用條件、環(huán)境和時(shí)間不斷變化的不穩定參數。用這樣一個(gè)參數作非凡蓄電池充電的長(cháng)期標準，顯然是違背科學(xué)常理的錯誤做法。上述非凡蓄電池允電標準的迷失，產(chǎn)生的不良后果是不言自明的。它不可避免地要影響到非凡蓄電池的正確使用與使用壽命，同時(shí)也要影響到非凡蓄電池的研究、設計與制造思路�，F在廣泛使用的這套傳統的非凡蓄電池充電理論，它與非凡蓄電池客觀(guān)上存在的非線(xiàn)性系統的復雜性特性，存在著(zhù)很大的差異。人們顯然是受傳統認識論與方法的局限，才導致今天非凡蓄電池的使用長(cháng)期出現熱失控等無(wú)法解決的問(wèn)題。只有跳出傳統充電理論的束縛，重視非凡蓄電池客觀(guān)上存在的內在規律，從中找出產(chǎn)生問(wèn)題的原因，針對原因采取合適的措施，才會(huì )使非凡蓄電池使用中出現的問(wèn)題，獲得真正的解決。
