电池管理系统（BMS）SOH

电池健康状态的概念是一个抽象的概念，它试图将结合在一起产生电池退化的复杂现象减少到一个简单的指标，表明电池从寿命开始到寿命结束的发展程度。寿命结束的定义在个别应用中有所不同，可能有多种可能的定义，但一般来说，当电池系统不再能够提供应用所需的最小功率、能量和待机时间时，电池系统需要维修或更换。许多内部过程导致了三个显著的外部可观察影响，构成了电池健康的降低，即容量衰减、阻抗增长和自放电增加。电池能力随着充放电周期次数（通常称为周期寿命）和总使用时间的变化而消失，称为日历寿命。容量衰减是指随着时间的推移，电池的可用能量和充电容量的减少。在内部，容量下降是由于两个根本原因之一：锂离子或电子无法到达活性物质的位置。这些问题可能是由于许多其他的影响，包括在微观水平或宏观水平上对电极结构的损害（活性物质可能从电极表面脱落，不再与集流器接触）。关于寿命结束容量的一个通用行业标准被认为是初始容量的80%，但这可能明显高于或少于特定应用程序所需的标准。

阻抗增长会导致电池的速率能力降低。许多导致能力下降的相同现象也有助于阻抗的增长。大多数使用碳阳极的锂离子电池都经历了土壤-电解质间相(SEI)的生长，这在电池老化过程中增加了阻抗。活性物质的损失导致反应的表面积减少，从而使阻抗更高。电解质的降解和界面电阻的增加也有助于阻抗的增加。假设极限电压在整个老化过程中是固定的（这个假设的有效性可能会有所不同），那么将导致达到这个极限电压的允许充放电速率将相应地降低。允许功率衰减比容量衰减变化更大，一些应用程序可用功率减少50%。

自放电速率可能会随着锂离子电池的老化而增加。随着自放电速率的增加，电池的可用待机时间减少。假设电池管理系统的尺寸为标称寿命的自放电开始，增加和改变电池间的自放电速率将降低电池管理系统的补偿能力，并最终降低电池性能。

然而，正如我们已经看到的，可能很难确定导致容量损失的具体参数，因此我们寻找也随着老化而变化的与容量损失相关的参数，通常使用经验关系。例如，内部阻抗的上升与锂离子电芯的容量消退有关。这种相关性也可以由主要的降解机制驱动，如果正确识别，可以用来关联可能随衰老变化的相关参数，并且相对容易与能力识别。因此，即使不直接估计SOH，这些参数的在线估计也可以与SOH相关联。当然，降解机制也可能取决于使用，特别是温度和电流速率。在一个实际的SOH估计算法中，必须考虑到环境和电池的使用情况。

这三个因素被用来计算一个单一的度量标准，即电池系统的健康状况(SOH)。SOH =SOH （Capacity,Impedance,Self Discharge）。一个理想的SOH值在1到0之间，通常用百分比表示。当电池是新的时，SOH应该是100%的。一旦电池达到其略微能够提供应用程序所需的电源、容量和待机时间的程度，SOH通常就会被定义为零。最理想的情况是，如果电池在相同的环境条件下(使用相同的充放电曲线（使每个循环的充放电曲线有效地相同）进行循环，那么SOH应该相对于总循环计数以线性方式减少。实际上，在更极端的速率、温度和充电状态下运行，一般会比在温和的条件下更快地降低电池的健康状况，而报告的SOH在不同类型的循环下不会均匀下降。测量容量的最准确和最直接的方法是以非常慢（C/10）的速率进行完全放电，然后进行非常缓慢的充满电。通过电流计数，可以确定电池容量。然而，对于大多数应用程序来说，这是非常耗时和不切实际的。只要正确考虑内阻抗的变化，以较高C速率的全充放电也可以与容量相关。同样，对于一个HEV应用程序，这个测试并不实用。人们可以通过计算电流循环来使用经验方法，但获得所需的地图很耗时，特别是考虑到脉冲充放电形状和环境条件的变化。如果有退化模型，则可以在车辆上进行模拟，以估计SOH。然而，这些模型可能计算要求很高，并且可能在没有电池反馈的情况下从实际SOH漂移。一个理想的电池管理系统必须能够在电池系统的运行过程中，仅使用相同的电压、温度和电流输入来动态地估计这三个参数。在实验室测试中，在整个周期和日历寿命测试中进行参考性能(RPT)测试，以评估电池的容量和阻抗。

电池的性能取决于它的使用时间和环境。SOH估计包括区分由极端温度引起的临时性能变化和与老化相关的长期性能退化。因此，表征模型参数如何随温度和老化的变化是很重要的。有些参数可能随年龄的增长而显著变化，但随温度的变化不大，因此可能是较好的SOH指标。其他参数可以假设为不变或它们的变化与老化无关，所以不应该消耗计算能力来估计它们。可能有参数随老化和温度而变化，但温度效应可以通过测量的温度和经验或阿伦尼乌斯关系来校准。

容量损失和阻抗增加的最终症状是在电池内发生的许多复杂相互作用的外部可观察到的影响。对锂离子电池如何失去容量的基本了解有助于开发这类电池系统的电池管理系统。在充电过程中，插入在活性阴极材料中的锂原子必须去插入并被氧化，失去一个电子。电子必须从活性物质位置移动，通过正极，最终到达集电器和电池的正极端子。锂离子必须从活性物质部位，通过电极材料，进入电解质，在电解质中，它必须穿过分离器到达阳极。离子必须到达活性阳极材料的粒子，并与通过负极集电极和端子到达同一位置的电子重组，并重新插入负极材料中。该过程在排放过程中反向进行。考虑到所涉及的步骤，容量消退和阻抗增长可以解释为上述过程之一步骤中的失败或障碍。活性可循环锂离子的丢失会导致容量的减少。这可以通过多种方式发生。阳极层上的钝化膜，被称为固体电解质间相(SEI)，是由锂离子和电解质反应产生的。确切的反应和产物尚不清楚，但锂在SEI层的形成过程中被消耗，这在电池的前几个形成周期中显著发生，但之后继续以较慢的速度进行。最被描述的效果是还原电解质中的溶剂形成含锂化合物。SEI生长反应通常主要发生在充电过程中。SEI的形成是导致电池使用寿命的初始阶段容量损失的大部分原因。锂离子也可能由于金属锂的阳极电压低于零，通常是由于在低温下充电过快，但这不是一个适当的维护电池的正常容量损失方法。锂也可能通过其他不太显著的副反应而丢失，如电解质分解消耗锂盐。

容量损失的另一种可能性是活性物质的损失；如果没有插入位点，电荷转移就不能发生。该活性物质可以通过与电解质的副反应来降解。最常见的假设是，活性物质与电解质隔离，阻止锂离子进入，或者与电流集电器隔离，阻止电子进入。这两种方法都会导致可用插入位置的丢失，并降低电池容量。充放电时电极材料的体积变化通常被认为是击穿的主要原因。如果活性物质在脂化状态下丢失，锂离子也会丢失。阻抗增长是由电池各部件中对电子和离子传输的电阻引起的。金属集流器、标签和端子的欧姆电阻预计将相对稳定，而不是显著电阻变化的来源。SEI层的增长增加了锂离子进出阳极的传输电阻。上述反应肯定对温度（更高的温度会导致更快的降解）和电流，特别是充电速率，以及所选择的最终充放电极限都很敏感。建立这些模型是为了考虑所有这些输入对退化率的影响。