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源，重點論述了過分依賴非凡蓄電池出廠標注容量值——安時(A·h)，作為非凡蓄電池日常使用中充電標準存在的問題。

關鍵詞：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、生活的各個方面，特別是世界性石油危機多次爆發(fā)后，人們在未來能源應用的多元化開發(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，有著獨特的電能存儲效率高的特點，可方便地組成各種不同電壓和容量的電源應用系統(tǒng)；同時還兼有電能取出使用方便的特點，非常適合用作各種移動設備的工作電源與應急備用電源。該產品的諸多優(yōu)良特性，是今后社會發(fā)展中，其它的電能儲存產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品之一。

然而，由于人們對非凡蓄電池一些最基本問題的認識，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于困難，使用安全難以獲得有效的保障，使用過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，影響著今天一些需要大規(guī)模應用非凡蓄電池的產品，如電動汽車、可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和各種后備式應急電源等產業(yè)的真正高效率、低成本、高可靠產業(yè)化開發(fā)的進程。這些問題中，非凡蓄電池的容量——安時(A._h)，又是最關鍵的問題之一。本文重點討論如何進一步研究、認識、把握與運用好非凡蓄電池容量這一重要的參數(shù)。

1非凡蓄電池容量定義的問題

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(shù)值，單位為安時(A·h)，用方程描述，即

式中：C為非凡蓄電池容量安時(A·h)；

I為非凡蓄電池放電電流(A)；

t為非凡蓄電池放電時間(h)。

式(1)描述了非凡蓄電池儲存電能能力的大小。如果作進一步的查詢，許多經典的非凡蓄電池著作和教材都有指出，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截止電壓取值的高低，都將影響容量安時值(A·h)測量的大小。因此，容量安時不是一個單值數(shù)。它的大小，依從于測量與使用的條件和環(huán)境。在嚴格規(guī)定的條件下，按式(1)實驗獲得的容量值，是可以方便地用來比較非凡蓄電池儲存電能能力的。但離開嚴格規(guī)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題無法取得突破和進展的根源。

2非凡蓄電池容量測量的需要與困難

特定實驗條件下的非凡蓄電池容量，是評價非凡蓄電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù),也是非凡蓄電池在定值負載下工作時間長短的依據；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驗后，有一個統(tǒng)一的充電接受的起始點，以利于非凡蓄電池充電過程最大充電電流的確定,和非凡蓄電池充電的安全；更便于充電器的沒計選用，與充電過程控制的統(tǒng)一和簡單化。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)用來及時準確判斷不同使用環(huán)境和條件下，非凡蓄電池放電過程的終止點，也就是同一非凡蓄電池放電后統(tǒng)一的充電起始點；

(2)用來判斷不同環(huán)境下，非凡蓄電池充滿電的情況，以便于及時關斷非凡蓄電池的充電電流，避免出現(xiàn)過充電給被充電非凡蓄電池造成的失控損害。

例如現(xiàn)實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(xiàn)在提出來的SOC測量法等，都是人們想要實現(xiàn)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性關系，只有非凡蓄電池放電電流在時間軸上的積分，才是非凡蓄電池的真實容量。非凡蓄電池電壓、內阻、與非凡蓄電池容量的關系，即使有那么一點想象空間，由于非線性特性的客觀存在，人們也是很難準確把握和利用的。至于SOC測量法：通俗說來，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為非凡蓄電池實時容量與出廠額定容量的百分比：

Cr為負載上測量到的已用去的容量(A.h)；

C為非凡蓄電池出廠給出的額定容量(A·h)。

現(xiàn)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來說，人們公認的非凡蓄電池容量方程中已表明它不是一個單值數(shù)，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時的實際容量。因此，非凡蓄電池放電后的充電是很難落在同一起始點上的。同樣的原因，非凡蓄電池充滿電的狀態(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程經常產生問題的根本原因。

如果非凡蓄電池的電壓、內阻和容量間復雜的非線性關系，有人一時還難以理解和接受，不妨用更直觀和更簡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判斷容量缺乏科學依據進行進一步的說明，相信人們一定會不難理解：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間因素的積分，也就是說，如果有人硬要拿容量方程之外的電壓或內阻的測量來判斷非凡蓄電池的容量，顯然是一廂情愿的主觀做法，是無的放矢，也是不可能真正實現(xiàn)的。

3非凡蓄電池容量在使用過程中不確定性產生的原因

一般說來非凡蓄電池在用戶實際的使用過程中不同于實驗室做實驗，對環(huán)境溫度、負載等條件有嚴格的規(guī)定。在一個變化很大的使用環(huán)境中，一般化學產品存在的不穩(wěn)定性非凡蓄電池也不會例外，必然導致有關非凡蓄電池參數(shù)，其中包括容量參數(shù)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(shù)，其大小依從于測量的條件，即使在實驗室，同一只充滿電的非凡蓄電池用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。用戶在實際使用非凡蓄電池時，實際的負載是一個大范圍變化的負載，如其在電動交通產品上存在著很大的不確定性。

使用非凡蓄電池，如同駕駛汽車使用燃油，不可能做到汽車每天行駛的路況，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間也一樣，因此，汽車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，就不難想到使用過程中也是無法準確獲知的。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，它還與以下的問題有關：非凡蓄電池儲能系統(tǒng)，不同于燃油車儲存能量物質的方式。燃油車從油箱中取出燃油送入發(fā)動機燃燒室時的損耗極小，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，非凡蓄電池內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，與非凡蓄電池能量輸出的大小、時間成正比的關系。并且以熱能的方式向周圍空間發(fā)散。一般條件下，這種發(fā)散損耗與電池周圍的溫度、空氣流速和散熱條件有關，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。這一客觀存在的事實，正好有力回答了前面SOC測量法方程中負載上測得的Cr值，不能用來代表日常使用中非凡蓄電池實際容量的消耗值，這也從另一方面對SOC測量法缺乏科學依據，作出了較為客觀與合理的回答。

客觀地講，還有一點值得人們關注的是，非凡蓄電池的能量儲存與汽車的一般型式的能量儲存方式，是有本質差別的。汽口的油箱一但成為產品后，除非有意外的情況發(fā)生，儲存燃油物質的容積一般是不會隨環(huán)境發(fā)生變化的。非凡蓄電池則不同，成為產品后雖然外型結構看上去不會隨環(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(tǒng)令人難以掌控的復雜問題之一。

4充電標準的迷失

下面進入本文討論的核心問題，非凡蓄電池從發(fā)明使用至今，電池出廠攜帶的說明書和外殼上標注的容量值安時(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參數(shù)，更是非凡蓄電池日后使用中，衡量過放電、過充電、與欠充電的標準。

作為標準，容量值安時(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(A·h)值應是穩(wěn)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。充電器一經選定后，非凡蓄電池日后放電后的充電過程，就只能按出廠標注的容量安時值(A·h)所確定的電流、電壓、時間和程序，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(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生已談了很多了，為了進一步說明問題，有必要將重點問口再簡要重復一下。用戶手中的非凡蓄電池，由于使用環(huán)境的變化，使用時間長短的不同，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，人們是無法準確掌握的。退一步講，就算用戶每次的使用，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(wěn)定，使用過程中非凡蓄電池的內阻等產生的熱損耗不能準確獲知，容量安時值(A·h)隨非凡蓄電池使用過程不同，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際容量值。更關鍵的是，非凡蓄電池容量快速實時的測量方法至今人們還不知它在何處，穩(wěn)定不變的容量值標準，只是人們想象中的一個虛值，好比阿基米德要用來挑動地球的支點和杠桿，客觀上并不存在。實際使用中的非凡蓄電池充電前出現(xiàn)剩余容量為出廠標注容量的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，應是經常出現(xiàn)和不可避免的。這樣看來，非凡蓄電池每次使用后實際需要補充的容量值安時(A·h)，與作為標準使用的出廠標注值已經出現(xiàn)了很大的差別。過去當作充電標準遵循的非凡蓄電池標注容量值安時(A.h)，此時的合理性與科學性已經不再存在。造成了實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標注容量值選定的充電器的科學性與合理性也已經蕩然無存。所以人們實際使用中的非凡蓄電池，經常出現(xiàn)熱失控，被充電充出問題，實在是事出有因。

如果人們對以上的看法和論述還有疑問，那么我們再來舉一個常見的實例，供大家去調查、觀察、和思考。當前我國發(fā)展較快的輕型電動車市場上，經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(xiàn)在流行的多段式充電器，使用一年甚至幾個月，大量電池就出現(xiàn)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，產生了嚴重的過充電導致熱失控造成的。

最近，幾家全球著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期存在，已是一個不容忽視和回避的客觀事實，同時也是今天非凡蓄電池技術發(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，熱失控問題產生的主要原因，無疑是非凡蓄電池在傳統(tǒng)充電理論指導下失去了充電標準所產生的結果。5結語

基本常識告訴我們，任何科學理論的正確立論，都應有一個穩(wěn)定的客觀標準。并能長期接受實驗、使用和時間的驗證。非凡蓄電池的出廠標注容量值分明是一個隨使用條件、環(huán)境和時間不斷變化的不穩(wěn)定參數(shù)。用這樣一個參數(shù)作非凡蓄電池充電的長期標準，顯然是違背科學常理的錯誤做法。上述非凡蓄電池允電標準的迷失，產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，同時也要影響到非凡蓄電池的研究、設計與制造思路�，F(xiàn)在廣泛使用的這套傳統(tǒng)的非凡蓄電池充電理論，它與非凡蓄電池客觀上存在的非線性系統(tǒng)的復雜性特性，存在著很大的差異。人們顯然是受傳統(tǒng)認識論與方法的局限，才導致今天非凡蓄電池的使用長期出現(xiàn)熱失控等無法解決的問題。只有跳出傳統(tǒng)充電理論的束縛，重視非凡蓄電池客觀上存在的內在規(guī)律，從中找出產生問題的原因，針對原因采取合適的措施，才會使非凡蓄電池使用中出現(xiàn)的問題，獲得真正的解決。