锂电池容量衰减和循环寿命影响因素浅析
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自放电率（Self-discharge Rate）：电池的自放电率， 也称电池的荷电保持能力，是指开路条件下，电池内所储 存电能的保持能力。当电池不与外电路连接时，由于内部 自发的化学反应，会导致电池储能损失。自放电率是衡量 电池性能的主要参数之一。
对于理想的锂电池，在其循环周期内容量不会发生变 化，然而实际上任何能够消耗锂离子的副反应都会导致电 池容量的改变，而这种改变是不可逆的，并且可以通过多 次循环进行累积，对锂电池循环性能产生严重影响。锂电 池的循环寿命直接影响锂电池的质量，对锂电池循环寿命 的研究可实现对电池的工作状态的实时监测，并为故障预 防提供决策支持，具有重大意义。本文将对锂电池容量衰 减和循环寿命的影响因素进行分析。
等效电路模型使用恒压源、电阻、电容等电路元件组 成电路网络来模拟单体电池的动态特性。目前常用的电池 模型有：Thevenin 模型和 PNGV 模型。
单体电池 Thevenin 模型如图 1 所示，能够反映电池
的极化特性，仿真电压对电池实际工作电压具有较好的跟 随性能，并且不存在长时间仿真带来的累积误差，能够反 映锂电池的实际工作特性，适用于锂电池仿真。
CHINA SECURITY PROTECTION TECHNOLOGY AND APPLICATION
2018 年第 3 期 63
百度文库
检验检测
（4）
（6）
（5）
（7）
Thevenin 模型考虑了电池容性和阻性的特点，模型用 理想电压源描述电池的开路电压，欧姆内阻表征电池欧姆 特性，极化电容与极化电阻并联描述电池极化电压特性； PNGV 模型在 Thevenin 模型的基础上增加了一个电容来 描述负载电流的时间累计产生的开路电压的变化。单体电 池 PNGV 模型如图 3 所示，模型中 为理想电池开路电 压， 为电池欧姆内阻， 为电池极化阻抗， 为极化阻 抗周围的电容， 表征开路电压与负载电流的时间积分的 变化关系。
图 1 单体电池的 Thevenin 模型 其中 表示理想电池开路电压， 表示电池欧姆内 阻， 表示极化电容， 表示极化电阻，则极化电压状态 方程为：
（1） （2） 式（1）（2）中， 为电池极化电压， 为电池工作 电流， 为电池外部负载电压。 为提高极化电压的仿真精度，进一步分析二阶模型及 其参数辨识，可将极化阻抗 分为 和 ，分别表示电化 学极化以及表示扩散作用的浓差极化，并得到 和 共同 作用的二阶 RC 模型，如图 2 所示。 其二阶等效模型极化电压状态方程为： （3）
属，属于绿色环保电池。 但锂电池也具有自身不可克服的缺陷：①错误使用会
对电池造成不可恢复的损害，影响电池的使用寿命，甚至 发生锂电池自燃或爆炸；②低温下电池性能明显恶化，输 出功率减小，可用电量衰减；③不同放电倍率对电池的可 用容量影响较大；④相比传统可充电电池成本较高。
2.2 锂电池相关概念 单体电池（cell）：电池最基础的组成元素，可直接 将化学能转化为电能。 电池组 （pack）：有许多单体电池通过串联或者并 联组成的电池集合。 日历寿命（Calendar Life）：日历寿命是一个电池在 达到寿命终止条件前能够持续执行某一确定操作的工作时 间长度。 荷电状态（Stage of Charge, SOC）：荷电状态是指 电池可用电荷量与充满状态下可用电荷量的比值。 健康状态（Stage of Health, SOH）：健康状态是指 电池使用一段时间后的最大可用容量与其所对应的标称容
检验检测
锂电池容量衰减 和循环寿命影响因素浅析
■ 文 / 公安部检测中心 井冰 芦朋 李博
摘 要： 容量衰减是锂电池在使用过程中存在的一个重要问题。锂电池的容量衰减程度与电池循环寿命直接相关，本文在 总结锂电池容量衰减的原因的基础上，对锂电池循环寿命的影响因素进行分析，并介绍了锂电池的寿命预测的研 究进展。
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2018 年第 3 期
中国安全防范技术与应用
检验检测
量的比值，该比值反应了电池的寿命状况。 放电深度（Depth of Discharge, DOD）：放电深度
是指电池已放出的容量占其额定容量的比值。 循环寿命（Cycle Life）：循环寿命是指一个电池在
达到电池寿命终止条件前能够完成的深度放电次数。当电 池的容量衰减到电池标称容量的 80% 时，即可认为达到 了电池的寿命终止条件。循环使用寿命是电池性价比的一 个重要指标。
关键字： 锂电池 容量衰减 循环寿命
1 引言
锂电池因其高能量密度、绿色环保、工作温度范围宽 等优点迅速替代了镍镉、镍氢电池，成为当前电子设备采 用的主流电池。随着锂电池反复充电次数的增加，其有效 容量会出现不同程度的衰减，导致电子设备的性能和稳定 性降低。
2 锂电池特点及相关概念
2.1 锂电池特点 锂电池通过正极锂金属氧化物中产生的锂离子在负极 活性碳中的嵌入与脱嵌实现电池的充放电过程。与传统的 镍镉、镍氢等电池相比，锂电池有许多突出的优点：①锂 电池的比能量高，是镍镉电池的三到四倍，镍氢电池的两 到三倍；②工作电压高，是镍镉电池、镍氢电池工作电压 的 3 倍；③无记忆效应，可以根据需要随时充电，而不会 降低电池性能；④循环寿命长，正常工作情况下，锂电池 充放电平均可多达 500 次以上；⑤自放电率低，相同的条 件下，锂电池保持电荷的时间更长；⑥锂电池不含有重金
图 2 单体电池二阶等效模型
图 3 单体电池 PNGV 模型 单体电池 PNGV 模型状态方程为：
（8）
当电池进行充放电时，其电流在时间上的累积引起 SOC 的变化，从而导致电池开路电压变化，体现在电容 C 上的电压变化。电容 C 既表征了电池的容量，又表征了 直流响应，弥补了 Thevenin 模型的缺陷。
3 等效电路模型分析
单体锂电池建模与分析是电池组优化应用的研究基础， 单体电池模型的仿真精度决定了电池组模型精度。单体电 池模型是用于描述工作工程中电池外特性参数如电压、功 率与电流、荷电状态以及温度等参数之间的数学关系，可 用于电池状态估算、性能分析、科学评价和使用等，同时 基于单体电池模型可进一步建立串并联电池组模型。
对于理想的锂电池，在其循环周期内容量不会发生变 化，然而实际上任何能够消耗锂离子的副反应都会导致电 池容量的改变，而这种改变是不可逆的，并且可以通过多 次循环进行累积，对锂电池循环性能产生严重影响。锂电 池的循环寿命直接影响锂电池的质量，对锂电池循环寿命 的研究可实现对电池的工作状态的实时监测，并为故障预 防提供决策支持，具有重大意义。本文将对锂电池容量衰 减和循环寿命的影响因素进行分析。
等效电路模型使用恒压源、电阻、电容等电路元件组 成电路网络来模拟单体电池的动态特性。目前常用的电池 模型有：Thevenin 模型和 PNGV 模型。
单体电池 Thevenin 模型如图 1 所示，能够反映电池
的极化特性，仿真电压对电池实际工作电压具有较好的跟 随性能，并且不存在长时间仿真带来的累积误差，能够反 映锂电池的实际工作特性，适用于锂电池仿真。
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Thevenin 模型考虑了电池容性和阻性的特点，模型用 理想电压源描述电池的开路电压，欧姆内阻表征电池欧姆 特性，极化电容与极化电阻并联描述电池极化电压特性； PNGV 模型在 Thevenin 模型的基础上增加了一个电容来 描述负载电流的时间累计产生的开路电压的变化。单体电 池 PNGV 模型如图 3 所示，模型中 为理想电池开路电 压， 为电池欧姆内阻， 为电池极化阻抗， 为极化阻 抗周围的电容， 表征开路电压与负载电流的时间积分的 变化关系。
图 1 单体电池的 Thevenin 模型 其中 表示理想电池开路电压， 表示电池欧姆内 阻， 表示极化电容， 表示极化电阻，则极化电压状态 方程为：
（1） （2） 式（1）（2）中， 为电池极化电压， 为电池工作 电流， 为电池外部负载电压。 为提高极化电压的仿真精度，进一步分析二阶模型及 其参数辨识，可将极化阻抗 分为 和 ，分别表示电化 学极化以及表示扩散作用的浓差极化，并得到 和 共同 作用的二阶 RC 模型，如图 2 所示。 其二阶等效模型极化电压状态方程为： （3）
属，属于绿色环保电池。 但锂电池也具有自身不可克服的缺陷：①错误使用会
对电池造成不可恢复的损害，影响电池的使用寿命，甚至 发生锂电池自燃或爆炸；②低温下电池性能明显恶化，输 出功率减小，可用电量衰减；③不同放电倍率对电池的可 用容量影响较大；④相比传统可充电电池成本较高。
2.2 锂电池相关概念 单体电池（cell）：电池最基础的组成元素，可直接 将化学能转化为电能。 电池组 （pack）：有许多单体电池通过串联或者并 联组成的电池集合。 日历寿命（Calendar Life）：日历寿命是一个电池在 达到寿命终止条件前能够持续执行某一确定操作的工作时 间长度。 荷电状态（Stage of Charge, SOC）：荷电状态是指 电池可用电荷量与充满状态下可用电荷量的比值。 健康状态（Stage of Health, SOH）：健康状态是指 电池使用一段时间后的最大可用容量与其所对应的标称容
检验检测
锂电池容量衰减 和循环寿命影响因素浅析
■ 文 / 公安部检测中心 井冰 芦朋 李博
摘 要： 容量衰减是锂电池在使用过程中存在的一个重要问题。锂电池的容量衰减程度与电池循环寿命直接相关，本文在 总结锂电池容量衰减的原因的基础上，对锂电池循环寿命的影响因素进行分析，并介绍了锂电池的寿命预测的研 究进展。
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2018 年第 3 期
中国安全防范技术与应用
检验检测
量的比值，该比值反应了电池的寿命状况。 放电深度（Depth of Discharge, DOD）：放电深度
是指电池已放出的容量占其额定容量的比值。 循环寿命（Cycle Life）：循环寿命是指一个电池在
达到电池寿命终止条件前能够完成的深度放电次数。当电 池的容量衰减到电池标称容量的 80% 时，即可认为达到 了电池的寿命终止条件。循环使用寿命是电池性价比的一 个重要指标。
关键字： 锂电池 容量衰减 循环寿命
1 引言
锂电池因其高能量密度、绿色环保、工作温度范围宽 等优点迅速替代了镍镉、镍氢电池，成为当前电子设备采 用的主流电池。随着锂电池反复充电次数的增加，其有效 容量会出现不同程度的衰减，导致电子设备的性能和稳定 性降低。
2 锂电池特点及相关概念
2.1 锂电池特点 锂电池通过正极锂金属氧化物中产生的锂离子在负极 活性碳中的嵌入与脱嵌实现电池的充放电过程。与传统的 镍镉、镍氢等电池相比，锂电池有许多突出的优点：①锂 电池的比能量高，是镍镉电池的三到四倍，镍氢电池的两 到三倍；②工作电压高，是镍镉电池、镍氢电池工作电压 的 3 倍；③无记忆效应，可以根据需要随时充电，而不会 降低电池性能；④循环寿命长，正常工作情况下，锂电池 充放电平均可多达 500 次以上；⑤自放电率低，相同的条 件下，锂电池保持电荷的时间更长；⑥锂电池不含有重金
图 2 单体电池二阶等效模型
图 3 单体电池 PNGV 模型 单体电池 PNGV 模型状态方程为：
（8）
当电池进行充放电时，其电流在时间上的累积引起 SOC 的变化，从而导致电池开路电压变化，体现在电容 C 上的电压变化。电容 C 既表征了电池的容量，又表征了 直流响应，弥补了 Thevenin 模型的缺陷。
3 等效电路模型分析
单体锂电池建模与分析是电池组优化应用的研究基础， 单体电池模型的仿真精度决定了电池组模型精度。单体电 池模型是用于描述工作工程中电池外特性参数如电压、功 率与电流、荷电状态以及温度等参数之间的数学关系，可 用于电池状态估算、性能分析、科学评价和使用等，同时 基于单体电池模型可进一步建立串并联电池组模型。