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作者：泰克技術(shù)專(zhuān)家 Elizabeth Makley，Denis Solomon

■動(dòng)力電池

電動(dòng)汽車(chē)（EV）在2022年占據(jù)全球汽車(chē)銷(xiāo)售份額的13%，預(yù)計(jì)到2030年將占據(jù)全球汽車(chē)銷(xiāo)售份額的30%。該行業(yè)需要繼續(xù)加大研發(fā)力度，推出更多價(jià)格親民的車(chē)型，促進(jìn)燃油車(chē)市場(chǎng)向電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)轉(zhuǎn)型。市場(chǎng)轉(zhuǎn)型過(guò)程中，對(duì)性能更強(qiáng)、價(jià)格更低的動(dòng)力電池產(chǎn)生巨大需求，目前動(dòng)力電池仍然是導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格高昂的主要因素。

據(jù)麥肯錫公司預(yù)測(cè)，電芯市場(chǎng)預(yù)計(jì)將以每年超過(guò)20%的速度增長(zhǎng)，到2030年將達(dá)到4100億美元。從2020年到2030年，市場(chǎng)規(guī)模將增長(zhǎng)10 倍。

設(shè)計(jì)動(dòng)力電池時(shí)，必須進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試以了解電池的性能。

性能目標(biāo)

推動(dòng)動(dòng)力電池的進(jìn)步是提高汽車(chē)經(jīng)濟(jì)性、社會(huì)認(rèn)可度和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)盟 (USABC) 發(fā)布了相關(guān)指南，指明了下一代電動(dòng)汽車(chē)電池的性能和成本目標(biāo)。隨著汽車(chē)行業(yè)探索新的電池化學(xué)和電芯技術(shù)，需要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)主要目標(biāo)，以增加電動(dòng)汽車(chē)的普及率：

■將動(dòng)力電池的成本降低到每千瓦時(shí)不超過(guò)100美元——終極目標(biāo)是75美元

■將電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程增加到300英里

■將充電時(shí)間縮短到15分鐘以下

只有經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，才能確保每個(gè)制造電芯都能滿(mǎn)足強(qiáng)制性能標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要實(shí)施大量測(cè)試，本文將重點(diǎn)介紹有助于了解電池質(zhì)量的關(guān)鍵幾項(xiàng)測(cè)試。

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開(kāi)路電壓 (OCV) 測(cè)量

電池儲(chǔ)存能量，在正負(fù)極端子之間產(chǎn)生電壓電勢(shì)。我們?cè)陔娐分惺褂眠@種能量。電池未連接任何電路時(shí)，這種電勢(shì)稱(chēng)為開(kāi)路電壓（OCV）。這個(gè)值直接反映了電池的充電狀態(tài)，也就是電池包含多少能量的度量。

電池的OCV在充電和放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化。在充電和放電過(guò)程中監(jiān)測(cè)電池的狀態(tài)，確保電池既不過(guò)充也不過(guò)放。電池制造過(guò)程中必須多次充電和放電，OCV監(jiān)測(cè)是驗(yàn)證過(guò)程和最終應(yīng)用的一部分。由大量電芯構(gòu)成的電池組包含管理芯片，用于跟蹤電芯和模塊的OCV以報(bào)告其狀態(tài)。

當(dāng)電池與負(fù)載斷開(kāi)連接時(shí)，仍然會(huì)有少量電流在內(nèi)部流動(dòng)。這被稱(chēng)為自放電電流。電池電芯的OCV相對(duì)恒定，但在數(shù)周的時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生數(shù)十到數(shù)百微伏的細(xì)微變化。對(duì)于質(zhì)量不佳的電池，這個(gè)數(shù)值會(huì)更高。OCV測(cè)量可以檢測(cè)電池自放電情況并鑒別有缺陷的電芯。

OCV是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量方法。如圖1所示，直接將數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）連接到電池并測(cè)量直流電壓。

圖1. 對(duì)電芯執(zhí)行開(kāi)路電壓測(cè)量需要將萬(wàn)用表連接到電池的正負(fù)極端子

對(duì)于只需要確認(rèn)OCV的應(yīng)用，任何6位半DMM都可以勝任這項(xiàng)工作。對(duì)于自放電測(cè)試之類(lèi)的應(yīng)用，需要檢測(cè)電壓的微小變化，將需要一個(gè)精度更高的（7位半）DMM。

例如，對(duì)于質(zhì)量良好的電芯，在四周內(nèi)自放電引起的電荷損失通常較小，一般在幾毫伏到幾十毫伏的范圍內(nèi)。然而，對(duì)于失效或有缺陷的電芯，這種損失可能達(dá)到幾百毫伏。每天就可能損失幾微伏。對(duì)3.7V電芯執(zhí)行OCV測(cè)量，一臺(tái)典型的6位半DMM在1年校準(zhǔn)中存在142μV的誤差。然而，7位半DMM在同等條件下存在63.8μV的誤差。

2

內(nèi)阻和負(fù)載電阻

我們可以將電池簡(jiǎn)單理解為一個(gè)裝滿(mǎn)能量的杯子。當(dāng)我們需要能量時(shí)，連接電路并讓能量流出。然而，這個(gè)比喻并沒(méi)有考慮到電池內(nèi)阻。將電池比作水瓶更恰當(dāng)。當(dāng)裝滿(mǎn)水的瓶子倒置時(shí)，水并不能自由流出，因?yàn)槠孔旎蛘咂款i會(huì)阻礙水流動(dòng)。與此類(lèi)似，電池存在內(nèi)阻，由于老化、材料質(zhì)量和結(jié)構(gòu)上的缺陷等因素，阻礙能量的流動(dòng)。這種內(nèi)阻不僅包含電阻成分，還包含電容成分，因此不易測(cè)量。

與OCV類(lèi)似，內(nèi)阻反映了電池的質(zhì)量以及它在使用期限內(nèi)的性能變化。內(nèi)阻較高的電池效率更低，更容易失效。過(guò)高的內(nèi)阻在電池工作過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，如果電池?zé)崾Э?，安全隱患極大。在使用前測(cè)量?jī)?nèi)阻有助于識(shí)別可能存在失效風(fēng)險(xiǎn)的電芯。對(duì)于鋰離子電池，質(zhì)量良好的電芯的內(nèi)阻可以達(dá)到100m?，而質(zhì)量差或失效的電芯可能達(dá)到幾百毫歐。表征內(nèi)阻的方法有多種，用于評(píng)估性能的不同方面。

電化學(xué)阻抗譜 (EIS)

第一種技術(shù)是電化學(xué)阻抗譜 (EIS)。在這個(gè)測(cè)試方法中，在一個(gè)寬頻譜（0.5Hz 到超過(guò)100kHz）對(duì)電池施加交流信號(hào)（通常是幾百毫安，但在某些情況下可能是幾安）并測(cè)量電池的響應(yīng)。這個(gè)測(cè)試可能需要幾分鐘到幾小時(shí)（頻率越低，測(cè)試時(shí)間越長(zhǎng)），但可以得出電池內(nèi)阻抗行為的全方位數(shù)據(jù)。

交流內(nèi)阻 (ACIR)

最常見(jiàn)的方法被稱(chēng)為交流內(nèi)阻 (ACIR)。由于這是一種交流技術(shù)，它確實(shí)可以表征內(nèi)阻。ACIR是EIS過(guò)程的一個(gè)子集，在單一頻率（通常為1kHz）下進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)試表征了小信號(hào)性能，可以完美指示電池質(zhì)量，比完整的EIS過(guò)程速度更快。占用時(shí)間短使其成為生產(chǎn)中的熱門(mén)測(cè)試方法，每個(gè)電池都必須通過(guò)該測(cè)試。

直流內(nèi)阻 (DCIR)

最后一種方法是直流內(nèi)阻 (DCIR)，也稱(chēng)為脈沖表征。在這種方法中，只測(cè)量電阻成分，因?yàn)槲覀兗僭O(shè)電池由理想的開(kāi)路電壓和串聯(lián)電阻表示，如圖 2 所示。

圖2. DCIR電池模型包括一個(gè)理想的電壓源和一個(gè)內(nèi)部電阻器

在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)電池施加直流電流。測(cè)量電池電壓的變化以計(jì)算電阻。圖3中的圖表對(duì)此進(jìn)行了演示。

圖3. DCIR測(cè)量方法測(cè)量電池電芯的電阻成分

DCIR方法（幾安培）中使用的電流通常比ACIR方法 (100mA) 大得多，更接近實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，因?yàn)殡姵亟?jīng)常承受突然的高電流。電池的內(nèi)阻是電池輸出大電流能力的最大限制因素。因此，識(shí)別不能在高電流下工作的電池非常重要。

3

在早期進(jìn)行大量測(cè)試

驗(yàn)證過(guò)程需要實(shí)施大量測(cè)試，從化學(xué)和材料制造開(kāi)始（測(cè)量電解液填充后的隔離，電芯充放電，短路條件等）到電芯準(zhǔn)備打包并運(yùn)送到最終應(yīng)用，如電網(wǎng)能源存儲(chǔ)，消費(fèi)電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)。驗(yàn)證和確認(rèn)測(cè)試的目標(biāo)始終是在它們進(jìn)行到下一個(gè)流程之前識(shí)別故障電芯，避免材料和時(shí)間浪費(fèi)。每個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試都必不可少，因?yàn)橛兄T多因素可能影響電池性能。

表面上，開(kāi)路電壓測(cè)試和內(nèi)阻測(cè)試的目標(biāo)一致：識(shí)別出無(wú)法達(dá)到性能預(yù)期的電池。然而，兩者缺一不可，因?yàn)樗鼈兎謩e測(cè)試不同的指標(biāo)。開(kāi)路電壓測(cè)試側(cè)重于電容和自放電，這些特性可能由于分離器中的雜質(zhì)或制造過(guò)程中的錯(cuò)誤形成等缺陷引起。高阻抗可能由其他因素引起。只有通過(guò)直接阻抗測(cè)量才能找出導(dǎo)致高阻抗的原因。例如電極到標(biāo)簽的不良焊接。

對(duì)于動(dòng)力電池，美國(guó)高級(jí)電池聯(lián)盟 (USABC) 為優(yōu)化電池安全性、性能和可靠性設(shè)定的目標(biāo)應(yīng)作為當(dāng)前化合物電池以及超越鋰離子的新興技術(shù)的良好指南。有效性能表征的關(guān)鍵是從可以識(shí)別故障的有效測(cè)量開(kāi)始。借助適當(dāng)?shù)脑O(shè)備和測(cè)試，制造商、研究人員、設(shè)計(jì)師甚至最終用戶(hù)都可以全面了解他們電池的未來(lái)性能。

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