软失效和硬失效描述了电芯被判定为失效的两种不同方式。当可测量的劣化参数超过预设限值时，就会发生软失效，通常表现为容量下降至初始值的80%。当电芯无法继续执行其所需功能时，就会发生硬失效，这种失效通常是突然发生的，并且在此之前不一定会超过某个可靠且固定的容量或电阻阈值。
软失效基于阈值；硬失效基于功能。电池测试设备应同时监测连续劣化信号和实际失效事件，因为电芯可能逐渐达到性能极限，也可能突然失效。
软失效的定义
预设的劣化阈值
当测量参数达到规定限值，而电芯可能仍能运行时，将记录为软失效。
常见参数包括：
- 放电容量
- 内阻
- 功率能力
- 库仑效率
- 自放电速率
对于许多储能研究，初始额定容量的80%被用作寿命终止标准。这是一种广泛使用的惯例，但并不一定适用于每种应用。
阈值为何重要
该阈值为自动循环测试提供了一致且可重复的停止规则。当所选参数超过定义的限值时，测试设备可以结束实验或将电芯标记为失效。
这使软失效适用于比较电芯设计、材料、制造工艺和运行条件。
示例
如果电芯的初始测量容量为3.0 Ah，测试标准为80%，则软失效阈值为：
[ 3.0 \text{ Ah} \times 0.80 = 2.4 \text{ Ah} ]
当测得容量达到2.4 Ah时，即使电芯仍能充电和放电，也会被判定为已达到软失效。
硬失效的定义
所需功能丧失
当电芯无法继续执行其预期功能时，就会发生硬失效。根据应用不同，这可能意味着电芯无法：
- 安全接受充电
- 提供所需电流
- 在负载下保持电压
- 完成一个测试循环
- 在不触发保护事件的情况下运行
因此，硬失效与功能性能相关，而不仅仅是与逐渐变化的劣化数值相关。
失效可能突然发生或难以预测
电芯可能一直正常运行，随后突然失效。在失效发生时，其容量或内阻可能不会与所有电芯通用的一致阈值相对应。
例如，两个电芯可能在相同负载下失效，但在失效前或失效瞬间表现出截然不同的内阻值。因此，仅依靠固定的电阻限值可能会漏检或误判硬失效。
示例
对于发动机启动电池，当其无法再提供足够的启动电流时，可能会被视为发生硬失效。它不一定需要先达到某个特定的电阻值或容量百分比。
测试设备上区分两者的重要性
不同失效类型需要不同的数据
软失效分析依赖于老化循环期间持续采集的测量数据。这些测量结果可以揭示容量、电阻或功率能力如何随时间变化。
硬失效分析还需要记录失效发生时间以及失效发生时的运行条件。设备必须同时捕捉劣化轨迹和最终的功能丧失。
改进剩余使用寿命预测
当失效定义与应用相匹配时，剩余使用寿命，即RUL，会更容易估算。
对于软失效，系统可以将劣化曲线外推至选定阈值。对于硬失效，模型必须考虑这样一种可能性：功能失效可能在达到稳定劣化阈值之前发生。
支持制造工艺优化
明确的失效定义有助于研究人员比较以下工艺变化：
- 电极压实密度
- 浆料涂层厚度
- 电极配方
- 化成条件
- 运行温度和电流曲线
如果没有一致的失效定义，就很难将电芯制造工艺的改进与测试终止标准差异区分开来。
软失效与硬失效
| 特征 | 软失效 | 硬失效 |
|---|---|---|
| 主要依据 | 测量参数超过阈值 | 所需功能丧失 |
| 典型表现 | 逐渐劣化 | 突然、急剧或不规则失效 |
| 示例 | 容量达到初始寿命值的80% | 电芯无法提供所需电流 |
| 检测方法 | 阈值监测 | 功能测试和事件检测 |
| 主要建模方法 | 劣化和趋势分析 | 劣化分析与失效事件分析相结合 |
| 可预测性 | 通常更易预测 | 不同电芯之间通常差异更大 |
了解其中的权衡
软失效标准具有可重复性，但取决于应用
容量达到80%这样的阈值提供了实用的通用基准。不过，对于每种产品而言，它可能并不代表真正的有效寿命终点。
高功率应用可能会由于电阻升高或功率能力降低而变得不适用，且这一情况可能远早于容量降至80%。相反，要求较低的应用可能在低于该水平时仍能正常运行。
硬失效标准更符合实际，但更难建模
硬失效反映了实际服务能力的丧失，这对可靠性工程非常有价值。然而，由于电芯在接近失效时的行为可能存在显著差异，其发生时间可能更难预测。
因此，硬失效定义应明确规定所需功能、负载、测试条件以及通过/失败限值，而不能仅仅表述为电芯“停止工作”。
不要将功能失效与接地故障混淆
电芯可靠性测试中的硬失效不同于硬接地故障。硬接地故障是一种涉及通往地面的近零电阻路径的电气安全状态，而软失效和硬失效描述的是电池的劣化和功能丧失。
接地故障检测需要进行绝缘或隔离监测以及漏电流测量。它应作为独立于电芯寿命和可靠性分类的安全监测问题来处理。
只采用一种失效定义可能导致结论失真
将每项测试都在软失效阈值处停止，可能会掩盖更早发生的突然功能失效。仅记录硬失效也会使比较变得困难，因为失效事件可能具有很强的可变性，并且取决于具体应用。
最完整的测试策略是同时跟踪这两种失效。
如何将其应用于您的测试计划
应使用与待解答可靠性问题相匹配的失效定义。
- 如果您的主要关注点是容量寿命：使用容量阈值定义软失效，例如初始测量容量的80%，并确认该阈值能够反映实际应用。
- 如果您的主要关注点是功率或服务可靠性：根据所需功能的丧失定义硬失效，例如无法提供指定电流或无法在负载下保持最低电压。
- 如果您的主要关注点是RUL预测：记录连续劣化信号，以及硬失效事件发生的准确时间和条件。
- 如果您的主要关注点是制造工艺改进：在不同电芯设计之间采用相同的失效定义和测试条件，以便客观比较工艺变化。
- 如果您的主要关注点是实验室安全：将绝缘完整性和接地故障与软失效、硬失效可靠性指标分开监测。
可靠的电池测试计划会将软失效视为可测量的性能限值，将硬失效视为已观察到的功能丧失，并结合两者全面了解电芯行为。
总结表：
| 特征 | 软失效 | 硬失效 |
|---|---|---|
| 主要依据 | 测量参数超过阈值 | 所需功能丧失 |
| 典型表现 | 逐渐劣化 | 突然、急剧或不规则失效 |
| 示例 | 容量达到初始寿命值的80% | 电芯无法提供所需电流 |
| 检测方法 | 阈值监测 | 功能测试和事件检测 |
| 主要建模方法 | 劣化和趋势分析 | 劣化分析与失效事件分析相结合 |
| 可预测性 | 通常更易预测 | 不同电芯之间通常差异更大 |
确保您的电池测试设备能够准确捕捉软失效和硬失效。KINTEK的先进测试系统可为研发和质量控制提供全面监测。立即联系我们，优化您的电池可靠性测试，并深入了解电芯性能。联系我们的专家！