电池测试系统将 SOH 从估算值转变为可测量、可重复的评估结果。 它们通过受控的充放电循环跟踪容量衰减，并通过脉冲、阻抗或负载响应测量识别内阻增长。通过控制电流、电压、温度和荷电状态，这些系统能够生成构建衰减模型、比较电芯以及定义寿命终止阈值所需的高质量数据。
电池测试系统不会将 SOH 测量为一个通用的单一数值。它们生成受控的测量结果，尤其是可用容量和电阻增长，随后根据特定的电池化学体系、应用场景和运行曲线计算 SOH。
电池测试系统如何评估 SOH
测量容量衰减
容量测试用于确定电池实际能够提供的电量，并将其与初始容量或额定容量进行比较。
典型流程是按照规定的充电曲线将电芯充满，经过所需的静置时间后，以受控速率放电至指定的低电压截止值。测试系统对电流随时间进行积分，以计算输出的安时数：
[ Q = \int I(t),dt ]
随后，可以通过将测得的容量与初始参考容量进行比较来表示容量衰减：
[ \text{容量保持率} = \frac{Q_{\text{current}}}{Q_{\text{initial}}} ]
这可以直接反映电池在循环或存储过程中损失了多少可用能量。
测量内阻增长
内阻通过观察电压对已知电流变化的响应进行评估。
对于短时放电脉冲，简化的电阻计算公式为：
[ R = \frac{V_{\text{rest}} - V_{\text{loaded}}}{I} ]
系统记录静置电压，施加规定的电流脉冲，并测量由此产生的电压降。随着电池老化，在相同负载下，电阻增加通常会导致更大的电压降。
测试系统还可以评估动态直流电阻、交流阻抗或一定频率范围内的电化学阻抗。这些方法并不总是代表同一种物理量，因此在比较结果时，测试方法和条件必须保持一致。
为什么受控测试条件十分重要
区分老化影响与运行影响
电压和电阻高度依赖于温度、荷电状态、电流倍率和静置时间。即使没有发生永久性衰减，电池在低温下也可能表现出更高的电阻。
电池测试系统能够控制并记录这些条件，使工程师可以区分可逆的运行影响和持续性的老化影响。在规定的温度和 SoC 水平下进行测试，还可以揭示衰减最明显的条件。
再现真实或加速老化过程
测试系统可以执行重复的充放电曲线、存储周期、静置间隔和高功率脉冲。这使研究人员能够模拟预期的使用条件，或在受控条件下加速老化。
由此获得的测量结果能够显示容量保持率和电阻增长如何随时间变化，而不是仅提供电池状态的一次性快照。
获取可靠的测量数据
准确的 SOH 评估需要同步测量以下数据：
- 电芯电压
- 充电和放电电流
- 温度
- 输出安时数
- 负载响应电压
- 阻抗或电阻
- 荷电状态和静置条件
对于电池组和串联电芯，高精度多通道系统尤为重要，因为电芯之间的差异可能决定整个电池串的性能。
测量结果如何转化为 SOH 参数
基于容量的 SOH
对于以能量为核心的应用，容量保持率通常是主要的 SOH 指标。电池的功率输出可能仍然可以接受，但其存储能量却可能已经大幅下降。
在备用电源和储能等应用中，80% 的可用容量水平通常被用作较宽松的寿命终止基准，但适当的阈值取决于具体规格和运行要求。
某些估算方法使用电流和电压的积分信息，而不要求每次都进行完整的实验室容量测试。例如，可以将加权总体最小二乘回归应用于积分电流数据；而开路电压残差，尤其是在高 SoC 条件下的残差，则可以为容量损失估算提供额外信息。
基于电阻的 SOH
当电池必须提供高瞬时功率时，电阻增长尤其重要。
例如，启动电池可能仍保留大部分标称容量，但如果其内阻显著增加，仍可能无法提供足够的启动电流。电阻增长还会在高电流运行期间增加电压降和发热。
结合多个指标
容量和电阻反映了衰减的不同方面。容量主要体现可输出能量的损失，而电阻则反映电池高效接受和输出功率的能力。
因此，可靠的 SOH 评估通常会结合容量、电阻、温度、自放电特性和运行历史，而不是依赖单一测量结果。
测试如何支持电池预测性分析
建立基础衰减模型
测试从在规定条件下对健康电芯或电池组进行测量开始。在整个生命周期内重复相同测试，可以建立老化程度、容量损失、电阻增长和运行条件之间的关系。
这些结果构成衰减模型的基础，可用于研究、质量评估和电池管理系统。
定义失效阈值
测试系统可以帮助工程师识别某个参数何时超过特定应用的限制。
可能的阈值包括可用容量不足、功率脉冲期间电压降过大、发热不可接受、电芯不一致性过高，或上述条件的组合。
检测电芯之间的差异
在串联电池中，最弱电芯可能会限制整个电池串的可用性能。多通道测试可以识别电芯之间在容量、电阻和自放电方面的差异。
这些信息有助于电芯筛选、均衡策略、电池组设计，以及主要衰减模式的诊断。
了解其中的权衡
容量测试信息丰富但耗时较长
低倍率放电测试可以对可用容量进行有力测量，但可能需要数小时，并且不适合频繁进行在役评估。
较短的测试可以提高测试吞吐量，但可能对倍率、温度和电压截止值假设更加敏感。因此，必须根据一致的测试协议解释结果。
电阻测试速度快但依赖测试条件
脉冲测试和阻抗测试可以快速提供功率能力指标，但测得的电阻会随 SoC、温度、脉冲持续时间和测量技术而变化。
只有在测试条件受控或经过适当归一化时，电阻值才具有实际意义。
单一 SOH 指标并不适用于所有应用
仅使用容量作为健康指标可能会忽略功率限制，而单独使用电阻则可能忽略显著的能量损失。
正确的权重取决于应用场景：储能系统通常更重视容量保持率，而高功率启动或牵引应用可能更加重视电阻和动态电压响应。
加速老化与现场老化并不完全相同
升高温度、激进循环或高电流曲线可以缩短测试时间，但也可能改变主要的衰减机制。
因此，在使用加速测试结果预测现场寿命之前，应将其与真实运行曲线进行验证。
如何将其应用于您的项目
电池测试系统应围绕目标应用中最重要的失效模式进行配置。
- 如果您的主要关注点是容量衰减： 使用可重复的满充和受控低倍率放电测试，准确地对电流进行积分，并在具有代表性的温度和 SoC 条件下跟踪容量保持率。
- 如果您的主要关注点是内阻增长： 在控制温度、SoC、静置时间和脉冲持续时间的同时，施加标准化电流脉冲或进行阻抗测量。
- 如果您的主要关注点是电池预测性分析： 结合容量、电阻、温度、自放电和电芯不一致性数据，以建立衰减模型和特定应用的失效阈值。
- 如果您的主要关注点是电池组可靠性： 使用多通道测试识别最弱电芯，并评估电阻和容量差异如何影响串联系统。
通过一致的测试协议和高质量的测量结果，电池测试系统可以提供计算有意义的 SOH 并预测电池老化过程所需的依据。
汇总表：
| SOH 参数 | 测试方法 | 关键指标 | 优势 |
|---|---|---|---|
| 容量衰减 | 完整充放电循环；电流积分 | 容量保持率（Q_current/Q_initial） | 直接测量能量损失；便于比较 |
| 内阻增长 | 脉冲测试；交流阻抗；动态直流电阻 | 电压降/电流；阻抗谱 | 快速评估功率能力；识别老化影响 |
| 综合评估 | 多通道测试；受控条件 | 容量、电阻、温度、SoC、自放电 | 全面了解电池状态；支持预测性分析和电池组可靠性评估 |
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