01電池健康狀態(tài)

鋰電池的衰老是一個(gè)漸進(jìn)的長(zhǎng)期過(guò)程，其健康狀態(tài)受多種因素影響，例如溫度、電流倍率及截止電壓等。目前，針對(duì)電池健康狀態(tài)的研究與建模分析取得了顯著進(jìn)展，涉及電池退化機(jī)理、老化因素、電池健康管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與估計(jì)以及壽命預(yù)測(cè)等多個(gè)方面。

▍ 電池健康狀態(tài)的界定

電池的SOH，即State of Health，用以量化描述電池當(dāng)前相對(duì)于新電池的電能存儲(chǔ)能力。它以百分比形式展現(xiàn)電池自壽命起始至當(dāng)前所經(jīng)歷的狀態(tài)。在性能指標(biāo)繁多、國(guó)內(nèi)外定義不一的背景下，SOH的定義主要集中在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)以及峰值功率等多個(gè)方面。

容量衰減與SOH的定義

在眾多文獻(xiàn)中，以電池容量衰減來(lái)定義SOH的觀點(diǎn)最為普遍。根據(jù)這些文獻(xiàn)，SOH被定義為電池容量隨時(shí)間推移逐漸減少的程度。式中，Caged代表電池當(dāng)前的容量，而Crated則指的是電池的額定容量。

SOH的電量定義

與容量定義類似，SOH也可以通過(guò)電量來(lái)進(jìn)行定義。由于電池的額定容量涵蓋了實(shí)際有效容量和最大容量，而電池在實(shí)際使用中的容量可能與標(biāo)稱的額定容量存在差異，因此，有研究文獻(xiàn)提出從電池放電電量的角度來(lái)定義SOH。

內(nèi)阻與SOH的定義

電池的內(nèi)阻隨老化逐漸增大，這一現(xiàn)象不僅標(biāo)志著電池老化的重要階段，同時(shí)也是導(dǎo)致電池進(jìn)一步老化的關(guān)鍵因素。因此，許多研究文獻(xiàn)選擇采用內(nèi)阻來(lái)定義電池的健康狀態(tài)，即SOH。具體來(lái)說(shuō)，電池在壽命結(jié)束時(shí)的內(nèi)阻（REOL）與當(dāng)前電池的內(nèi)阻（Rc）以及新電池的內(nèi)阻（Rnew）之間的差異，反映了電池老化的情況。

剩余循環(huán)次數(shù)與SOH的定義

在電池老化研究中，除了使用容量和內(nèi)阻等關(guān)鍵性能指標(biāo)來(lái)定義電池的健康狀態(tài)（SOH）外，還有一些文獻(xiàn)提出了以電池剩余可循環(huán)使用次數(shù)為基礎(chǔ)的SOH定義方法。

▍ 影響電池健康狀態(tài)的因素

溫度是影響電池健康狀態(tài)的關(guān)鍵因素。它對(duì)電池性能產(chǎn)生雙重影響：一方面，高溫會(huì)促進(jìn)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的加速，從而提高電池的效率和性能；但另一方面，高溫也會(huì)加劇某些不可逆反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致電池活性物質(zhì)的損失，進(jìn)而引發(fā)電池的老化及容量下降。

溫度對(duì)電池SOH的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，高溫環(huán)境下電池電極的SEI膜會(huì)加速增厚，使得鋰離子穿透SEI膜的難度增大，等同于電池內(nèi)阻的增加。

充放電電流倍率對(duì)電池SOH的影響

充放電倍率是影響電池壽命的重要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著放電倍率的增加，電池容量出現(xiàn)了顯著的衰減，電池內(nèi)阻也相應(yīng)地增加。

放電深度對(duì)電池SOH的影響

電池的充放電深度對(duì)其健康狀況和老化進(jìn)程有著顯著的影響。研究顯示，在電池容量衰減至85%之前，深充深放與淺充淺放兩種模式下的電池累計(jì)轉(zhuǎn)移能量基本相當(dāng)。然而，當(dāng)電池容量衰減至85%~75%時(shí)，深充深放模式在電池累計(jì)轉(zhuǎn)移的能量和能量效率方面均顯示出優(yōu)勢(shì)。

循環(huán)區(qū)間對(duì)電池SOH的影響

不同的循環(huán)區(qū)間會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻的差異，進(jìn)而影響電池在循環(huán)過(guò)程中的發(fā)熱和化學(xué)反應(yīng)，長(zhǎng)期來(lái)看，這種差異將顯著影響電池的健康狀況和循環(huán)壽命。為了保持電池的健康和延長(zhǎng)其使用壽命，專家建議將電池的SOC范圍控制在20%~80%之間。

充放電截止電壓對(duì)電池SOH的影響

電池的過(guò)充和過(guò)放都會(huì)對(duì)其健康狀況產(chǎn)生不良影響。不恰當(dāng)?shù)碾妷悍秶O(shè)置會(huì)加劇電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和副反應(yīng)，導(dǎo)致電池活性物質(zhì)的減少，進(jìn)而加速電池的老化和容量衰減。

綜上所述，電池的運(yùn)行環(huán)境如溫度、充放電倍率、放電深度、循環(huán)區(qū)間以及充放電截止電壓等都會(huì)對(duì)電池的健康狀態(tài)和壽命造成影響。關(guān)于電池健康狀態(tài)影響因素的研究尚處于定性階段，其中各因素對(duì)電池老化的定量分析以及各因素間的相互關(guān)系是研究的難點(diǎn)和未來(lái)研究的重點(diǎn)。

02電池健康狀態(tài)的評(píng)估模型

鋰電池的健康狀態(tài)無(wú)法直接測(cè)量，但可以通過(guò)模型進(jìn)行評(píng)估。電池的老化與健康狀況受到多種因素的影響，包括充放電過(guò)程、溫度變化等。目前，評(píng)估鋰電池健康狀態(tài)的主要模型包括電化學(xué)模型、等效電路模型以及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/strong>。這些模型通過(guò)不同的方式描述電池的性能變化，為電池管理提供了重要的支持。

電化學(xué)模型

電化學(xué)模型著重于從電池的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理入手，分析電池在運(yùn)行過(guò)程中健康狀態(tài)的變化情況。這類模型充分考慮了電池老化因素對(duì)內(nèi)部和外部狀態(tài)變量的影響。在鋰電池領(lǐng)域，電化學(xué)模型的研究涵蓋了SEI機(jī)理模型、電化學(xué)第一原理模型，以及單因子與多因子綜合電化學(xué)模型等復(fù)雜模型的應(yīng)用。

等效電路模型

等效電路模型將鋰電池簡(jiǎn)化為一個(gè)基礎(chǔ)的電路模型，通過(guò)分析大量狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行健康狀態(tài)的評(píng)估。鋰電池的等效電路模型主要包括Rint模型、RC模型以及Thevenin模型三種類型。此外，PNGV模型和GNL模型都是在Thevenin等效電路模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突诖罅繉?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，通過(guò)擬合、試湊以及統(tǒng)計(jì)處理，揭示電池性能狀態(tài)的變化規(guī)律，從而得出電池健康狀態(tài)的演變趨勢(shì)。該模型主要包含電池阻抗經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗姵厝萘抗烙?jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

03電池健康狀態(tài)研究的挑戰(zhàn)

鋰電池的健康狀態(tài)與壽命評(píng)估日益受到關(guān)注，但目前該領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，面臨以下三大挑戰(zhàn)。

長(zhǎng)期研究周期與嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)條件

鋰電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，導(dǎo)致其老化實(shí)驗(yàn)需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制溫度、充放電電流以及充放電截止電壓等參數(shù)，并定期對(duì)電池的老化狀況進(jìn)行評(píng)估。

電池內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)控與分析難題

鋰電池的SOH研究，涉及到電池內(nèi)部諸多狀態(tài)變量的監(jiān)控與分析，諸如電化學(xué)模型中的電池內(nèi)部溫度、電解液濃度以及內(nèi)阻等關(guān)鍵指標(biāo)。然而，由于電池內(nèi)部狀態(tài)的復(fù)雜性，這些關(guān)鍵變量的準(zhǔn)確監(jiān)控變得異常困難。

影響因素的相互耦合

電池的運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到多種因素的共同作用，包括溫度、充放電倍率、放電深度等，這些因素都會(huì)對(duì)電池的老化和壽命產(chǎn)生影響。在研究電池的SOH時(shí)，我們需要對(duì)這些影響因素進(jìn)行解耦分析，以準(zhǔn)確理解各因素對(duì)電池狀態(tài)的影響，然而，這些因素之間往往相互關(guān)聯(lián)、相互影響，使得解耦條件難以精確控制。

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