對(duì)蓄電池容量認(rèn)識(shí)的困惑

0 引言

　　目前，蓄電池的應(yīng)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(jī)多次爆發(fā)后，人們?cè)谖磥?lái)能源應(yīng)用的多元化開(kāi)發(fā)與高效率利用中，蓄電池相對(duì)于提升水位蓄能，電解水制氫儲(chǔ)氫蓄能等方法，有著獨(dú)特的電能存儲(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)；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(shè)備的工作電源與應(yīng)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(chǔ)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(yīng)用產(chǎn)品之一。

　　然而，由于人們對(duì)蓄電池一些最基本問(wèn)題的認(rèn)識(shí)，至今仍有許多原因并未完全弄明白。使得蓄電池在使用中維護(hù)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(dǎo)致蓄電池的使用成本太高，影響著今天一些需要大規(guī)模應(yīng)用蓄電池的產(chǎn)品，如電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和各種后備式應(yīng)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，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(rèn)識(shí)、把握與運(yùn)用好蓄電池容量這一重要的參數(shù)。

1 蓄電池容量定義的問(wèn)題

　　蓄電池容量，是蓄電池充足電后放出電能大小的數(shù)值，單位為安時(shí)(A·h)，用方程描述，即

   
式中：C為蓄電池容量安時(shí)(A·h)；
    I為蓄電池放電電流(A)；
    t為蓄電池放電時(shí)間(h)。

　　式(1)描述了蓄電池儲(chǔ)存電能能力的大小。如果作進(jìn)一步的查詢(xún)，許多經(jīng)典的蓄電池著作和教材都有指出，在蓄電池容量有限的情況下，式(1)中測(cè)量負(fù)載的大小與測(cè)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(cè)量的大小。因此，容量安時(shí)不是一個(gè)單值數(shù)。它的大小，依從于測(cè)量與使用的條件和環(huán)境。在嚴(yán)格規(guī)定的條件下，按式(1)實(shí)驗(yàn)獲得的容量值，是可以方便地用來(lái)比較蓄電池儲(chǔ)存電能能力的。但離開(kāi)嚴(yán)格規(guī)定條件下的濫用，卻是造成今天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 蓄電池容量測(cè)量的需要與困難

　　特定實(shí)驗(yàn)條件下的蓄電池容量，是評(píng)價(jià)蓄電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù),也是蓄電池在定值負(fù)載下工作時(shí)間長(zhǎng)短的依據(jù)；更是該條件下蓄電池所謂完全放電后的充電標(biāo)準(zhǔn)。之所以強(qiáng)調(diào)完全放電，就是人們想在蓄電池每次放電實(shí)驗(yàn)后，有一個(gè)統(tǒng)一的充電接受的起始點(diǎn)，以利于蓄電池充電過(guò)程最大充電電流的確定,和蓄電池充電的安全；更便于充電器的沒(méi)計(jì)選用，與充電過(guò)程控制的統(tǒng)一和簡(jiǎn)單化。為使蓄電池在一般使用情況下的充電，也能具有實(shí)驗(yàn)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(yīng)用條件下，快速測(cè)量蓄電池容量的方法。主要目的有以下兩方面：

　　(1)用來(lái)及時(shí)準(zhǔn)確判斷不同使用環(huán)境和條件下，蓄電池放電過(guò)程的終止點(diǎn)，也就是同一蓄電池放電后統(tǒng)一的充電起始點(diǎn)；
    　(2)用來(lái)判斷不同環(huán)境下，蓄電池充滿(mǎn)電的情況，以便于及時(shí)關(guān)斷蓄電池的充電電流，避免出現(xiàn)過(guò)充電給被充電蓄電池造成的失控?fù)p害。

　　例如現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中廣泛采用的蓄電池電壓變化測(cè)量法、蓄電池內(nèi)阻變化測(cè)量法、以及現(xiàn)在提出來(lái)的SOC測(cè)量法等，都是人們想要實(shí)現(xiàn)這一想法的具體做法。蓄電池的電壓和內(nèi)阻與蓄電池容量并不存在必然的線性關(guān)系，只有蓄電池放電電流在時(shí)間軸上的積分，才是蓄電池的真實(shí)容量。蓄電池電壓、內(nèi)阻、與蓄電池容量的關(guān)系，即使有那么一點(diǎn)想象空間，由于非線性特性的客觀存在，人們也是很難準(zhǔn)確把握和利用的。至于SOC測(cè)量法：通俗說(shuō)來(lái)，就是蓄電池的荷電狀態(tài)判斷法。推導(dǎo)的原始方程為：

   
　式中：SOC為蓄電池實(shí)時(shí)容量與出廠額定容量的百分比：
    　Cr為負(fù)載上測(cè)量到的已用去的容量(A.h)；
    　C為蓄電池出廠給出的額定容量(A·h)。

　　現(xiàn)在對(duì)蓄電池負(fù)載上用去的容量值Cr是否能準(zhǔn)確代表蓄電池使用中容量的下降值暫且不論。就SOC測(cè)量法中當(dāng)作基準(zhǔn)的C來(lái)說(shuō)，人們公認(rèn)的蓄電池容量方程中已表明它不是一個(gè)單值數(shù)，它的大小要依從于測(cè)量和使用的條件。把它當(dāng)作蓄電池使用中不變的標(biāo)準(zhǔn)，顯然是某些人為主觀因素的作用，因此，不可能用蓄電池單一的電壓變化值與內(nèi)阻變化值的測(cè)量和SOC測(cè)量法，直接求得蓄電池在日常使用中實(shí)時(shí)的實(shí)際容量。因此，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，蓄電池充滿(mǎn)電的狀態(tài)也是很難準(zhǔn)確判斷的。這就是造成今天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。

　　如果蓄電池的電壓、內(nèi)阻和容量間復(fù)雜的非線性關(guān)系，有人一時(shí)還難以理解和接受，不妨用更直觀和更簡(jiǎn)單的邏輯推理的療式，對(duì)用蓄電池的端電壓變化值和內(nèi)阻變化值來(lái)判斷容量缺乏科學(xué)依據(jù)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(rèn)的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(nèi)阻的測(cè)量來(lái)判斷蓄電池的容量，顯然是一廂情愿的主觀做法，是無(wú)的放矢，也是不可能真正實(shí)現(xiàn)的。

3 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)蓄電池在用戶(hù)實(shí)際的使用過(guò)程中不同于實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，對(duì)環(huán)境溫度、負(fù)載等條件有嚴(yán)格的規(guī)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(wěn)定性蓄電池也不會(huì)例外，必然導(dǎo)致有關(guān)蓄電池參數(shù)，其中包括容量參數(shù)在內(nèi)存在一定范圍的不確定性變化。

　　前面還淡到蓄電池的容量不是單值數(shù)，其大小依從于測(cè)量的條件，即使在實(shí)驗(yàn)室，同一只充滿(mǎn)電的蓄電池用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(shí)。用戶(hù)在實(shí)際使用蓄電池時(shí)，實(shí)際的負(fù)載是一個(gè)大范圍變化的負(fù)載，如其在電動(dòng)交通產(chǎn)品上存在著很大的不確定性。

　　使用蓄電池，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。蓄電池的使用與此極為相似，因?yàn)槭褂弥械男铍姵兀刻煸谑褂弥杏龅降牟淮_定因素，不但是使用前難以預(yù)料的，如果聯(lián)系到前面談到的蓄電池容量測(cè)量的困難，就不難想到使用過(guò)程中也是無(wú)法準(zhǔn)確獲知的。因此，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)：蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，不同于燃油車(chē)儲(chǔ)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(jī)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。蓄電池則不然，它在提供電流輸出到工作負(fù)載的同時(shí)，蓄電池內(nèi)阻與接觸電阻上存在著不能忽略的能量損耗。而且，這種損耗的大小，與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(cè)量的。

　　因此，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。這一客觀存在的事實(shí)，正好有力回答了前面SOC測(cè)量法方程中負(fù)載上測(cè)得的Cr值，不能用來(lái)代表日常使用中蓄電池實(shí)際容量的消耗值，這也從另一方面對(duì)SOC測(cè)量法缺乏科學(xué)依據(jù)，作出了較為客觀與合理的回答。

　　客觀地講，還有一點(diǎn)值得人們關(guān)注的是，蓄電池的能量?jī)?chǔ)存與汽車(chē)的一般型式的能量?jī)?chǔ)存方式，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(chǔ)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。蓄電池則不同，成為產(chǎn)品后雖然外型結(jié)構(gòu)看上去不會(huì)隨環(huán)境有太大的變化，但儲(chǔ)存電能的大小和能力卻是隨外界環(huán)境變化的。這也是蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)令人難以掌控的復(fù)雜問(wèn)題之一。

4 充電標(biāo)準(zhǔn)的迷失

　　下面進(jìn)入本文討論的核心問(wèn)題，蓄電池從發(fā)明使用至今，電池出廠攜帶的說(shuō)明書(shū)和外殼上標(biāo)注的容量值安時(shí)(A.h)，就是人們使用蓄電池首先要選擇的最重要的一個(gè)參數(shù)，更是蓄電池日后使用中，衡量過(guò)放電、過(guò)充電、與欠充電的標(biāo)準(zhǔn)。

　　作為標(biāo)準(zhǔn)，容量值安時(shí)(A·h)必須具備的條件是：不論蓄電池使用條件、環(huán)境、時(shí)間如何變化，至少蓄電池應(yīng)在設(shè)計(jì)使用的壽命期間內(nèi)，容量安時(shí)(A·h)值應(yīng)是穩(wěn)定不變的。又因容量的大小，除了是人們?cè)谑褂弥斜Ｕ辖o工作負(fù)載提供足夠能量的必要條件外，更是所謂蓄電池完全放電后，為保障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(jù)。充電器一經(jīng)選定后，蓄電池日后放電后的充電過(guò)程，就只能按出廠標(biāo)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(duì)蓄電池恢復(fù)容量的充電。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(cè)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(fù)一下。用戶(hù)手中的蓄電池，由于使用環(huán)境的變化，使用時(shí)間長(zhǎng)短的不同，放電電流大小的不同等原因，蓄電池在充電前容量的剩余值，人們是無(wú)法準(zhǔn)確掌握的。退一步講，就算用戶(hù)每次的使用，能準(zhǔn)確測(cè)出負(fù)載上用去了蓄電池多少容量值，由于蓄電池的標(biāo)注容量在不同環(huán)境下的漂移與不穩(wěn)定，使用過(guò)程中蓄電池的內(nèi)阻等產(chǎn)生的熱損耗不能準(zhǔn)確獲知，容量安時(shí)值(A·h)隨蓄電池使用過(guò)程不同，存在不同的下降等。人們也根本不可能準(zhǔn)確掌握蓄電池充電前真正的實(shí)際容量值。更關(guān)鍵的是，蓄電池容量快速實(shí)時(shí)的測(cè)量方法至今人們還不知它在何處，穩(wěn)定不變的容量值標(biāo)準(zhǔn)，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，客觀上并不存在。實(shí)際使用中的蓄電池充電前出現(xiàn)剩余容量為出廠標(biāo)注容量的5％至50％，甚至80％等各種不同的情況，由于蓄電池使用中眾多不確定因素的存在，應(yīng)是經(jīng)常出現(xiàn)和不可避免的。這樣看來(lái)，蓄電池每次使用后實(shí)際需要補(bǔ)充的容量值安時(shí)(A·h)，與作為標(biāo)準(zhǔn)使用的出廠標(biāo)注值已經(jīng)出現(xiàn)了很大的差別。過(guò)去當(dāng)作充電標(biāo)準(zhǔn)遵循的蓄電池標(biāo)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)際上蓄電池充電標(biāo)準(zhǔn)的喪失。這一喪失，也使按蓄電池出廠標(biāo)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)際使用中的蓄電池，經(jīng)常出現(xiàn)熱失控，被充電充出問(wèn)題，實(shí)在是事出有因。

　　如果人們對(duì)以上的看法和論述還有疑問(wèn)，那么我們?cè)賮?lái)舉一個(gè)常見(jiàn)的實(shí)例，供大家去調(diào)查、觀察、和思考。當(dāng)前我國(guó)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蓄電池組，不論配用的是恒流或恒壓方式的充電器，還是現(xiàn)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(xiàn)失水脹肚的報(bào)廢原兇，歸根結(jié)底，大都是由蓄電池使用中充電標(biāo)準(zhǔn)喪失后，產(chǎn)生了嚴(yán)重的過(guò)充電導(dǎo)致熱失控造成的。

　　最近，幾家全球著名計(jì)算機(jī)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。熱失控在不同蓄電池使用上的長(zhǎng)期存在，已是一個(gè)不容忽視和回避的客觀事實(shí)，同時(shí)也是今天蓄電池技術(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(rèn)為，熱失控問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因，無(wú)疑是蓄電池在傳統(tǒng)充電理論指導(dǎo)下失去了充電標(biāo)準(zhǔn)所產(chǎn)生的結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

　　基本常識(shí)告訴我們，任何科學(xué)理論的正確立論，都應(yīng)有一個(gè)穩(wěn)定的客觀標(biāo)準(zhǔn)。并能長(zhǎng)期接受實(shí)驗(yàn)、使用和時(shí)間的驗(yàn)證。蓄電池的出廠標(biāo)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(wěn)定參數(shù)。用這樣一個(gè)參數(shù)作蓄電池充電的長(zhǎng)期標(biāo)準(zhǔn)，顯然是違背科學(xué)常理的錯(cuò)誤做法．

　　上述蓄電池允電標(biāo)準(zhǔn)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蓄電池的正確使用與使用壽命，同時(shí)也要影響到蓄電池的研究、設(shè)計(jì)與制造思路。現(xiàn)在廣泛使用的這套傳統(tǒng)的蓄電池充電理論，它與蓄電池客觀上存在的非線性系統(tǒng)的復(fù)雜性特性，存在著很大的差異。人們顯然是受傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)論與方法的局限，才導(dǎo)致今天蓄電池的使用長(zhǎng)期出現(xiàn)熱失控等無(wú)法解決的問(wèn)題。只有跳出傳統(tǒng)充電理論的束縛，重視蓄電池客觀上存在的內(nèi)在規(guī)律，從中找出產(chǎn)生問(wèn)題的原因，針對(duì)原因采取合適的措施，才會(huì)使蓄電池使用中出現(xiàn)的問(wèn)題，獲得真正的解決。