锂电池健康状态影响因素与评估模型解析
01电池健康状态
锂电池的衰老是一个渐进的长期过程，其健康状态受多种因素影响，例如温度、电流倍率及截止电压等。目前，针对电池健康状态的研究与建模分析取得了显著进展，涉及电池退化机理、老化因素、电池健康管理、状态监测与估计以及寿命预测等多个方面。
▍ 电池健康状态的界定
电池的SOH，即State of Health，用以量化描述电池当前相对于新电池的电能存储能力。它以百分比形式展现电池自寿命起始至当前所经历的状态。在性能指标繁多、国内外定义不一的背景下，SOH的定义主要集中在容量、电量、内阻、循环次数以及峰值功率等多个方面。
容量衰减与SOH的定义
在众多文献中，以电池容量衰减来定义SOH的观点最为普遍。根据这些文献，SOH被定义为电池容量随时间推移逐渐减少的程度。式中，Caged代表电池当前的容量，而Crated则指的是电池的额定容量。
SOH的电量定义
与容量定义类似，SOH也可以通过电量来进行定义。由于电池的额定容量涵盖了实际有效容量和最大容量，而电池在实际使用中的容量可能与标称的额定容量存在差异，因此，有研究文献提出从电池放电电量的角度来定义SOH。
内阻与SOH的定义
电池的内阻随老化逐渐增大，这一现象不仅标志着电池老化的重要阶段，同时也是导致电池进一步老化的关键因素。因此，许多研究文献选择采用内阻来定义电池的健康状态，即SOH。具体来说，电池在寿命结束时的内阻（REOL）与当前电池的内阻（Rc）以及新电池的内阻（Rnew）之间的差异，反映了电池老化的情况。
剩余循环次数与SOH的定义
在电池老化研究中，除了使用容量和内阻等关键性能指标来定义电池的健康状态（SOH）外，还有一些文献提出了以电池剩余可循环使用次数为基础的SOH定义方法。
▍ 影响电池健康状态的因素
温度是影响电池健康状态的关键因素。它对电池性能产生双重影响：一方面，高温会促进电池内部化学反应的加速，从而提高电池的效率和性能；但另一方面，高温也会加剧某些不可逆反应的进行，导致电池活性物质的损失，进而引发电池的老化及容量下降。
温度对电池SOH的影响
实验数据证实，高温环境下电池电极的SEI膜会加速增厚，使得锂离子穿透SEI膜的难度增大，等同于电池内阻的增加。
充放电电流倍率对电池SOH的影响
充放电倍率是影响电池寿命的重要因素。实验结果显示，随着放电倍率的增加，电池容量出现了显著的衰减，电池内阻也相应地增加。
放电深度对电池SOH的影响
电池的充放电深度对其健康状况和老化进程有着显著的影响。研究显示，在电池容量衰减至85%之前，深充深放与浅充浅放两种模式下的电池累计转移能量基本相当。然而，当电池容量衰减至85%~75%时，深充深放模式在电池累计转移的能量和能量效率方面均显示出优势。
循环区间对电池SOH的影响
不同的循环区间会导致电池内阻的差异，进而影响电池在循环过程中的发热和化学反应，长期来看，这种差异将显著影响电池的健康状况和循环寿命。为了保持电池的健康和延长其使用寿命，专家建议将电池的SOC范围控制在20%~80%之间。
充放电截止电压对电池SOH的影响
电池的过充和过放都会对其健康状况产生不良影响。不恰当的电压范围设置会加剧电池内部的化学反应和副反应，导致电池活性物质的减少，进而加速电池的老化和容量衰减。
综上所述，电池的运行环境如温度、充放电倍率、放电深度、循环区间以及充放电截止电压等都会对电池的健康状态和寿命造成影响。关于电池健康状态影响因素的研究尚处于定性阶段，其中各因素对电池老化的定量分析以及各因素间的相互关系是研究的难点和未来研究的重点。
02电池健康状态的评估模型
锂电池的健康状态无法直接测量，但可以通过模型进行评估。电池的老化与健康状况受到多种因素的影响，包括充放电过程、温度变化等。目前，评估锂电池健康状态的主要模型包括电化学模型、等效电路模型以及经验模型。这些模型通过不同的方式描述电池的性能变化，为电池管理提供了重要的支持。
电化学模型
电化学模型着重于从电池的电化学反应机理入手，分析电池在运行过程中健康状态的变化情况。这类模型充分考虑了电池老化因素对内部和外部状态变量的影响。在锂电池领域，电化学模型的研究涵盖了SEI机理模型、电化学第一原理模型，以及单因子与多因子综合电化学模型等复杂模型的应用。
等效电路模型
等效电路模型将锂电池简化为一个基础的电路模型，通过分析大量状态数据来进行健康状态的评估。锂电池的等效电路模型主要包括Rint模型、RC模型以及Thevenin模型三种类型。此外，PNGV模型和GNL模型都是在Thevenin等效电路模型的基础上进行了进一步的改进。
经验模型
经验模型基于大量实验数据分析，通过拟合、试凑以及统计处理，揭示电池性能状态的变化规律，从而得出电池健康状态的演变趋势。该模型主要包含电池阻抗经验模型和电池容量估计经验模型。
03电池健康状态研究的挑战
锂电池的健康状态与寿命评估日益受到关注，但目前该领域的研究尚处于起步阶段，面临以下三大挑战。
长期研究周期与严格实验条件
锂电池的循环寿命长达数年，导致其老化实验需要长时间进行。在实验过程中，必须严格控制温度、充放电电流以及充放电截止电压等参数，并定期对电池的老化状况进行评估。
电池内部状态的监控与分析难题
锂电池的SOH研究，涉及到电池内部诸多状态变量的监控与分析，诸如电化学模型中的电池内部温度、电解液浓度以及内阻等关键指标。然而，由于电池内部状态的复杂性，这些关键变量的准确监控变得异常困难。
影响因素的相互耦合
电池的运行过程中，会受到多种因素的共同作用，包括温度、充放电倍率、放电深度等，这些因素都会对电池的老化和寿命产生影响。在研究电池的SOH时，我们需要对这些影响因素进行解耦分析，以准确理解各因素对电池状态的影响，然而，这些因素之间往往相互关联、相互影响，使得解耦条件难以精确控制。
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