01電池健康狀態(tài)

鋰電池的衰老是一個漸進的長期過程，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，針對電池健康狀態(tài)的研究與建模分析取得了顯著進展，涉及電池退化機理、老化因素、電池健康管理、狀態(tài)監(jiān)測與估計以及壽命預測等多個方面。

▍ 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前相對于新電池的電能存儲能力。它以百分比形式展現(xiàn)電池自壽命起始至當前所經(jīng)歷的狀態(tài)。在性能指標繁多、國內(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方面。

容量衰減與SOH的定義

在眾多文獻中，以電池容量衰減來定義SOH的觀點最為普遍。根據(jù)這些文獻，SOH被定義為電池容量隨時間推移逐漸減少的程度。式中，Caged代表電池當前的容量，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也可以通過電量來進行定義。由于電池的額定容量涵蓋了實際有效容量和最大容量，而電池在實際使用中的容量可能與標稱的額定容量存在差異，因此，有研究文獻提出從電池放電電量的角度來定義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)象不僅標志著電池老化的重要階段，同時也是導致電池進一步老化的關鍵因素。因此，許多研究文獻選擇采用內(nèi)阻來定義電池的健康狀態(tài)，即SOH。具體來說，電池在壽命結束時的內(nèi)阻（REOL）與當前電池的內(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)阻等關鍵性能指標來定義電池的健康狀態(tài)（SOH）外，還有一些文獻提出了以電池剩余可循環(huán)使用次數(shù)為基礎的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)的關鍵因素。它對電池性能產(chǎn)生雙重影響：一方面，高溫會促進電池內(nèi)部化學反應的加速，從而提高電池的效率和性能；但另一方面，高溫也會加劇某些不可逆反應的進行，導致電池活性物質(zhì)的損失，進而引發(fā)電池的老化及容量下降。

溫度對電池SOH的影響

實驗數(shù)據(jù)證實，高溫環(huán)境下電池電極的SEI膜會加速增厚，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。

充放電電流倍率對電池SOH的影響

充放電倍率是影響電池壽命的重要因素。實驗結果顯示，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)阻也相應地增加。

放電深度對電池SOH的影響

電池的充放電深度對其健康狀況和老化進程有著顯著的影響。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轉移能量基本相當。然而，當電池容量衰減至85%~75%時，深充深放模式在電池累計轉移的能量和能量效率方面均顯示出優(yōu)勢。

循環(huán)區(qū)間對電池SOH的影響

不同的循環(huán)區(qū)間會導致電池內(nèi)阻的差異，進而影響電池在循環(huán)過程中的發(fā)熱和化學反應，長期來看，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。

充放電截止電壓對電池SOH的影響

電池的過充和過放都會對其健康狀況產(chǎn)生不良影響。不恰當?shù)碾妷悍秶O置會加劇電池內(nèi)部的化學反應和副反應，導致電池活性物質(zhì)的減少，進而加速電池的老化和容量衰減。

綜上所述，電池的運行環(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對電池的健康狀態(tài)和壽命造成影響。關于電池健康狀態(tài)影響因素的研究尚處于定性階段，其中各因素對電池老化的定量分析以及各因素間的相互關系是研究的難點和未來研究的重點。

02電池健康狀態(tài)的評估模型

鋰電池的健康狀態(tài)無法直接測量，但可以通過模型進行評估。電池的老化與健康狀況受到多種因素的影響，包括充放電過程、溫度變化等。目前，評估鋰電池健康狀態(tài)的主要模型包括電化學模型、等效電路模型以及經(jīng)驗模型。這些模型通過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。

電化學模型

電化學模型著重于從電池的電化學反應機理入手，分析電池在運行過程中健康狀態(tài)的變化情況。這類模型充分考慮了電池老化因素對內(nèi)部和外部狀態(tài)變量的影響。在鋰電池領域，電化學模型的研究涵蓋了SEI機理模型、電化學第一原理模型，以及單因子與多因子綜合電化學模型等復雜模型的應用。

等效電路模型

等效電路模型將鋰電池簡化為一個基礎的電路模型，通過分析大量狀態(tài)數(shù)據(jù)來進行健康狀態(tài)的評估。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上進行了進一步的改進。

經(jīng)驗模型

經(jīng)驗模型基于大量實驗數(shù)據(jù)分析，通過擬合、試湊以及統(tǒng)計處理，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。該模型主要包含電池阻抗經(jīng)驗模型和電池容量估計經(jīng)驗模型。

03電池健康狀態(tài)研究的挑戰(zhàn)

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

長期研究周期與嚴格實驗條件

鋰電池的循環(huán)壽命長達數(shù)年，導致其老化實驗需要長時間進行。在實驗過程中，必須嚴格控制溫度、充放電電流以及充放電截止電壓等參數(shù)，并定期對電池的老化狀況進行評估。

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，諸如電化學模型中的電池內(nèi)部溫度、電解液濃度以及內(nèi)阻等關鍵指標。然而，由于電池內(nèi)部狀態(tài)的復雜性，這些關鍵變量的準確監(jiān)控變得異常困難。

影響因素的相互耦合

電池的運行過程中，會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，這些因素都會對電池的老化和壽命產(chǎn)生影響。在研究電池的SOH時，我們需要對這些影響因素進行解耦分析，以準確理解各因素對電池狀態(tài)的影響，然而，這些因素之間往往相互關聯(lián)、相互影響，使得解耦條件難以精確控制。

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