文章題目：Performance metrics for the comparison of lithium ion cell aging experiments

關(guān)鍵詞：Lithium-ion batteries；Battery aging；Battery testing；Design of experiment

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000123

????近日，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)Gabriel?Heyer教授團(tuán)隊(duì)在Energy Reviews發(fā)表文章“Performance metrics for the comparison of lithium ion cell aging experiments”, 該文章提出了一種基于度量標(biāo)準(zhǔn)的方法，用于評(píng)估不同鋰離子電池老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集之間的差異。同時(shí)文章還探討了現(xiàn)有的電池老化模型及其在電池衰減預(yù)測(cè)和狀態(tài)估計(jì)中的應(yīng)用，并提出了兩個(gè)新的性能指標(biāo)：組合區(qū)間比對(duì)（Composite Interval Comparison，CIC）和交叉驗(yàn)證校準(zhǔn)（Cross-Validated Calibration，CVC）。這些新的性能指標(biāo)可以幫助電池設(shè)計(jì)師選擇最優(yōu)測(cè)試條件，并準(zhǔn)確評(píng)估鋰離子電池的衰減趨勢(shì)，從而提高鋰離子電池的性能和可靠性。

01?內(nèi)容簡(jiǎn)介

????1. Introduction ( 介紹 )

????2. Aging experiments?（ 老化實(shí)驗(yàn)?）

????3. Method?（ 方法 ）??

????????3.1. Metrics definition（?指標(biāo)定義?）? ??

????????????3.1.1. Alpha metrics（?Alpha指標(biāo)?）? ??

????????????3.1.2. Beta metrics（?Beta指標(biāo)?）??

????????????3.1.3. Cycling metrics considering state of charge（?考慮電池充放電狀態(tài)的循環(huán)指標(biāo)?）

????????3.2. Dimensionality of aging metrics（?老化指標(biāo)的維度性?）

????????3.3. Application（?應(yīng)用?）??

????????????3.3.1. Comparison of existing data（?現(xiàn)有數(shù)據(jù)比較?）??

????????????3.3.2. Comparison of DOE studies（?DOE研究比較?）

????4. Results （ 結(jié)果 ）??

????????4.1. Comparison of existing data（ 現(xiàn)有數(shù)據(jù)比較 ）??

????????4.2. Comparison of DOE studies（ DOE研究比較 ）

????5. Metric validation （ 指標(biāo)驗(yàn)證 ）??

????????5.1. Aging model calibration（?老化模型校準(zhǔn)?）??

????????5.2. Dataset metric computation （ 數(shù)據(jù)集指標(biāo)計(jì)算 ）??

????????5.3. Aging model validation performance（ 老化模型驗(yàn)證表現(xiàn) ）

????6. Conclusion?（ 結(jié)論 ）

02?內(nèi)容亮點(diǎn)
1、鋰離子電池的老化是一個(gè)復(fù)雜的多維過(guò)程，受溫度、循環(huán)方案和電極材料等多種因素的影響;

2、標(biāo)準(zhǔn)化性能指標(biāo)的使用可以促進(jìn)鋰離子電池老化研究人員和行業(yè)利益相關(guān)者之間的數(shù)據(jù)共享和合作;

3、作者提出了一套性能指標(biāo)，包括容量衰減、功率衰減、庫(kù)侖效率、內(nèi)阻和老化因子，這些指標(biāo)可以根據(jù)不同類(lèi)型的老化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算;

4、所提出的性能指標(biāo)可用于比較不同電池組化學(xué)成分的老化行為，評(píng)估不同老化因素對(duì)電池組性能的影響，以及驗(yàn)證老化模型和模擬。

03?內(nèi)容導(dǎo)讀

????作者提出了一套性能指標(biāo)，包括容量衰減、功率衰減、庫(kù)侖效率、內(nèi)阻和老化因子，為驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，作者將HEV（混合動(dòng)力汽車(chē)Hybrid Electric Vehicle）以及HBV（電動(dòng)汽車(chē)Battery Electric Vehicle）數(shù)據(jù)集的指標(biāo)值進(jìn)行了比較。比較發(fā)現(xiàn)，不同的數(shù)據(jù)集在BEV和HEV應(yīng)用中的溫度、電流和電池能量評(píng)估概要指標(biāo)方面各有所長(zhǎng)。Schimpe 2018數(shù)據(jù)集在溫度指標(biāo)上表現(xiàn)出色，而Preger 2020和Trad 2020在電流指標(biāo)上表現(xiàn)良好。Ecker 2014、de Hoog 2017和Preger 2020數(shù)據(jù)集在BEV概要指標(biāo)上表現(xiàn)良好，而B(niǎo)aghdadi 2016在HEV概要指標(biāo)上脫穎而出。

????同時(shí)，為了研究老化因子指標(biāo)與老化模型性能之間的關(guān)系，作者采取了一系列步驟：首先，識(shí)別了幾個(gè)18650 NMC電池的老化數(shù)據(jù)集；接下來(lái)使用WebPlotDigitizer提取了與時(shí)間有關(guān)的容量衰減數(shù)據(jù)；然后對(duì)于每個(gè)數(shù)據(jù)集，根據(jù)公式進(jìn)行老化模型校準(zhǔn)；最后在其他數(shù)據(jù)集上評(píng)估每個(gè)模型的外推性能，從而模擬與該數(shù)據(jù)集一致的目標(biāo)應(yīng)用。下圖就是具體過(guò)程的說(shuō)明。

????驗(yàn)證完老化模型后，通過(guò)每個(gè)數(shù)據(jù)集的老化模型性能和指標(biāo)值之間的比較，作者發(fā)現(xiàn)，每個(gè)指標(biāo)值和模型RMSE之間建立了明顯的下降趨勢(shì)，這表明具有較大指標(biāo)值的數(shù)據(jù)集與驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的一致性更好。這表明溫度范圍不是在該應(yīng)用中選擇老化數(shù)據(jù)的關(guān)鍵考慮因素。這一解釋也與校準(zhǔn)結(jié)果一致；在每種情況下，都不能建立k校準(zhǔn)參數(shù)的明顯的溫度依賴(lài)性，這表明大部分的溫度效應(yīng)被阿累尼烏斯關(guān)系所捕獲。因此，將老化外推到其他溫度條件可能比外推到其他SOC條件更可靠。

04?重要結(jié)論

????對(duì)經(jīng)驗(yàn)老化模型進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，適當(dāng)選擇老化數(shù)據(jù)對(duì)于模型的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本研究提出了幾個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)，可用于評(píng)估老化測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的適用性，這些指標(biāo)以一種直觀的方式比較測(cè)試條件與目標(biāo)應(yīng)用的差別。

????本文還使用這些度量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)文獻(xiàn)中的幾個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行了檢查和比較，發(fā)現(xiàn)這些指標(biāo)凸顯了這些數(shù)據(jù)集的優(yōu)缺點(diǎn)。此外，通過(guò)將度量值與老化模型的驗(yàn)證誤差進(jìn)行比較，驗(yàn)證了這些度量標(biāo)準(zhǔn)的有效性。我們可以觀察到，較大的度量值與較低的模型驗(yàn)證誤差相對(duì)應(yīng)。

????這些度量標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)者提供了一種方法，允許選擇老化數(shù)據(jù)，已被證明可以為 18650 NMC 老化提供更好的模型性能。然而，一個(gè)局限是這些度量標(biāo)準(zhǔn)未考慮特定電池測(cè)試或 RPT 協(xié)議，這可能意味著具有高度度量得分的數(shù)據(jù)集可能無(wú)法良好地在另一種電池方面進(jìn)行應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：

Matilde D'Arpino，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)（The Ohio State University）機(jī)械與航空航天工程系以及電氣與計(jì)算機(jī)工程系研究助理教授；美國(guó)能源部、美國(guó)宇航局、AFRL 和美國(guó)主要汽車(chē)公司資助的多個(gè)研究項(xiàng)目的首席首席研究員 （PI） 或聯(lián)合首席研究員 （Co-PI）；多篇國(guó)際期刊和會(huì)議的作者。研究方向包括高性能電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)，多源電力系統(tǒng)（例如微電網(wǎng)，混合動(dòng)力汽車(chē)，混合動(dòng)力飛機(jī)）的功率轉(zhuǎn)換器和能源管理，汽車(chē)，航空航天和并網(wǎng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能測(cè)試，建模，設(shè)計(jì)和控制。

Energy Reviews

簡(jiǎn)介

????《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團(tuán)創(chuàng)辦的一本國(guó)際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開(kāi)放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國(guó)工程院Derek Elsworth院士、中國(guó)科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)、權(quán)威觀點(diǎn)等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺(tái)，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲(chǔ)能先進(jìn)技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

"關(guān)注前沿 | 引領(lǐng)趨勢(shì)"