基于容量增量和差分热伏安的锂离子电池SOH评估

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锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长、安全性能好等优势而广泛应用于电子产品、电动汽车和储能系统中。合理评估电池健康状态(State of Health,SOH),有利于对电池精确管理,确保电池的使用寿命并减少安全隐患,有助于锂电池更大规模的推广应用。在电池应用过程中,过度充、放电及局部过热等情况将加速锂离子电池老化。老化电池在相同工况下将产生更多的热量和更高的温升,加剧老化,进而影响电池使用寿命。这相互耦合的过程给电池SOH评估带来了挑战。因此,合理评估电池SOH的前提是合适的老化分析方法和技术手段。本文围绕锂离子电池,采用容量增量分析(Incremental Capacity Analysis,ICA)法和差分热伏安(Differential Thermal Voltammetry,DTV)法,对锂离子电池进行衰退研究和SOH评估。首先,对锂离子电池进行老化实验设计,将实验电池分为四组,每一组进行不同的循环老化实验和性能测试。根据实验数据,分析表征电池老化的特征参数,包括电池容量、放电电压和电池内阻,为锂电池的SOH评估提供基础数据。接着,采用容量增量(Incremental Capacity,IC)分析方法,研究不同倍率、温度和老化程度对电池性能的影响。采用锂离子电池IC曲线的峰值区间(ΔVreg,通常为峰下的部分电压区间),提取特征参数(Feature Parameters,FPs),基于高斯过程(Gaussian Process,GP)回归建立电池SOH评估模型,进行SOH评估。评估结果表明电池SOH对不同ΔVreg的FPs敏感程度不同。本文进一步利用NASA电池数据,采用11组电池的峰值区间,进行电池SOH评估,结果验证了电池SOH对不同峰值区间FPs的敏感性,并得出了采用IC曲线来评估SOH的合理峰值区间。然后,基于DTV法研究不同倍率和温度对电池老化性能的影响。针对同一电池的不同老化状态,选取2C、3C、4C和5C电流倍率,分析电池的DTV特性,提取DTV峰特征参数分析电池衰退特性。此外,通过单体电池的DTV峰参数差异可以辨识并联电池组中的电池老化程度。进一步,利用DTV参数解耦原理分析化学计量漂移对DTV的影响,基于参数解耦原理提出自适应补偿方法,确定电池新的工作状态,以延长电池使用寿命。最后,分析DTV的峰峰容量与电池SOH的关联性,提出考虑放电温度差的DTV峰峰容量评估SOH的方法。进一步采用IC曲线的峰面积对电池SOH进行评估。然后,得出IC和DTV两种方法评估电池SOH的适用范围:低于1C倍率时,采用IC曲线的峰面积来评估电池SOH;高于1C倍率时,采用DTV曲线的峰峰容量来评估SOH。本文采用的数据分析方法和特征提取方法,对锂电池SOH评估具有指导意义。
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