鋰離子電池已經(jīng)成為各種應(yīng)用中的首選能量存儲系統(tǒng)，例如 作為傳統(tǒng)汽車中的起動器電池，以及用于電動車輛、醫(yī)療應(yīng)用、專業(yè)工具、移動機器人和不間斷電源(UPS)中。在所有這些情況下，電池的健康狀況直接影響整個系統(tǒng)的表現(xiàn)。在電動汽車方面，主要的賣點是車輛的可行駛距離，其次是良好的加速度，兩者均取決于電池。在安全相關(guān)的應(yīng)用中，例如備用系統(tǒng)或移動醫(yī)療應(yīng)用(例如除顫器)，也必須確實肯定電池在有需要時可提供所需的電能。

確定電池的健康狀況

除了當(dāng)下的充電狀態(tài)(SoC)，電池健康的真正決定因素是其“年齡”。電池內(nèi)部的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)性能會隨著時間的推移而逐漸降低，使得電池的健康狀態(tài)(SoH)受到影響。SoH反映了當(dāng)前最大實際容量與電池理論容量之間的比率，例如一個100Ah的電池其SoH值為80%時該電池剩余容量為80Ah。電池或電池組的各個電池的老化速度是很難確定或預(yù)測的；一方面，容量無法直接測量；另一方面，老化過程受到許多因素的影響，例如：電池的個別情況、充電行為和溫度。

然而，確定SoH對于評估電池壽命是必不可少的。根據(jù)其實際應(yīng)用，電池壽命終止時的SoH值會在70％到80％之間。然后，很多電池會從“第一壽命”進入“第二壽命”，即用于需要較少容量的應(yīng)用中。例如，電動汽車電池在其第二壽命期間用作PV單元的固定能量存儲系統(tǒng)。電池在相應(yīng)應(yīng)用中的最大剩余容量，稱為剩余使用壽命(RUL)。

復(fù)雜步驟提供不可靠的預(yù)測

由于無法以簡單方法測量剩余容量以確定SoH和RUL，目前業(yè)界往往使用相對復(fù)雜且通常不準確的程序：在安裝電池之前，在實驗室中收集大量數(shù)據(jù)以表示相應(yīng)的電池類型。首先，使用算法來創(chuàng)建查找表或經(jīng)驗?zāi)Ｐ停枋鲈诙x的工作點和各種應(yīng)用中的電池狀況。然后，數(shù)據(jù)保存在電池管理系統(tǒng)中，并且僅通過與存儲的數(shù)據(jù)進行比較來預(yù)測電池壽命的結(jié)束。實際上是不會再測量運行中的電池的實際狀態(tài)。不用說，電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)仍然非常不準確。

最常用的用來確定容量的方法是使用庫倫計，通過測量流入的電荷并減去流出的電荷；將數(shù)據(jù)與模型進行比較，便可得出SoH和RUL。然而，即使這種方法提供的數(shù)值也是相對不準確的，即計算出的電池壽命終點可能與實際情況有很大不同。

結(jié)果：為確?？蛇_到承諾的電池壽命，制造商必須在儀器或車輛中安裝比所需電池更多的電池作為安全緩沖。或者，他們必須降低受制于電池狀態(tài)的指定值，例如，車輛行駛范圍和安裝在電動汽車中的電池的保修期。在這兩種情況下，都意味著電池容量未被充分利用。

充分利用電池

為了顯著提高電池的利用率，開姆尼茨理工大學(xué)測量和傳感器技術(shù)教授已經(jīng)開發(fā)出一種程序，可以在幾分鐘內(nèi)精確地完成對在完全運作下的電池的診斷分析。它還提供有關(guān)電池SoH和RUL的可靠在線信息。作為碩士和學(xué)士論文合作項目的一部分，儒卓力積極為這些研究活動提供支持，并提供電子元件和開發(fā)工具。作為三星SDI鋰離子電池的官方分銷合作伙伴和供應(yīng)商，儒卓力與電池制造商有著密切的聯(lián)系，因而是理想的研究合作伙伴，可確保在電池和電池管理系統(tǒng)的各個方面進行不可缺少的知識傳播。

使用阻抗譜法準確測量數(shù)值

測量和傳感器技術(shù)教授開發(fā)出了基于阻抗譜的測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠測量和評估電池內(nèi)部過程，例如電荷轉(zhuǎn)移、電極劣化和擴散。為此，通過改變交流電源電位來勵磁電池。由此產(chǎn)生的電池電壓和勵磁電流可用于計算阻抗，從而得知電池的狀態(tài)。

由于目前使用的鋰離子電池的阻抗可小于1毫歐姆(mOhm)，因此測量方法和應(yīng)用的硬件需要滿足特殊要求。由于阻抗值極低，以及低頻率和更廣的頻率范圍的原因，需要昂貴、精確的測量儀器以及具有大存儲容量的高性能設(shè)備以產(chǎn)生準確的動態(tài)信號。正是由于這個原因，該方法迄今僅應(yīng)用于滿足整個過程是由工程師監(jiān)控的這樣的條件的實驗室里。

從實驗室到嵌入式測量系統(tǒng)

為了能夠在移動系統(tǒng)中應(yīng)用阻抗譜，開姆尼茨理工大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)優(yōu)化了生成必要信號的方法，使得存儲容量有限和相對較小處理能力的芯片可以在不需要增加額外的信號發(fā)生器的情況下映射程序。電源是電池本身或來自另一個堆棧的能量，因此極大地降低了相關(guān)的硬件成本。由于頻率范圍較大，必須采用多光譜方法來縮短測量時間。因為采用了創(chuàng)新算法，所有用作測量的計算都可以同時進行。例如，能降低控制器作為中間存儲器用來存儲測量數(shù)據(jù)所占用的容量，降低到小于500KB。此外，測量時間縮短到大約五分鐘，這允許在操作期間的規(guī)定周期中能夠重復(fù)進行測量，例如，在特定的操作條件下。這些特性還確保該方法符合汽車行業(yè)控制器的開發(fā)要求。

由測量和傳感器技術(shù)教授開發(fā)的原型硬件可用于同時診斷四個電池單元。原則上，這些硬件甚至可以根據(jù)需要擴展成為更大的系統(tǒng)。

此外，該解決方案還滿足了目標(biāo)應(yīng)用的進一步要求：由于使用嵌入式微控制器，它不僅體積小，而且質(zhì)量過硬且性價比高。

獲得的測量結(jié)果允許我們充分利用電池直至其實際使用壽命完結(jié)，這使得制造商能夠增加其電動汽車的續(xù)航里程、延長電池的保修期，并設(shè)計更小且因此更便宜的電池系統(tǒng) ——符合其商業(yè)模式。

為什么電池會老化?

電池的健康狀況(SoH)隨著時間的推移而變差。這是由于：

 - 時間流逝帶來老化：即使不使用電池，僅僅因為時間流逝也會帶來老化，這個過程尤其受到環(huán)境溫度的影響。

 - 循環(huán)老化：取決于使用類型，但最重要的是取決于運作循環(huán)、(放)充電沖程、充電結(jié)束電壓以及充電和放電電流的強度?？赡艿难h(huán)次數(shù)取決于可充電電池的類型和質(zhì)量，以及溫度。