電池測試成為電動汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素

_____

電動汽車 (EV) 在 2022 年占據(jù)全球汽車銷售份額的 13%，預計到2030年將占據(jù)全球汽車銷售份額的30%。該行業(yè)需要繼續(xù)加大研發(fā)力度，推出更多價格親民的車型，促進燃油車市場向電動車市場轉(zhuǎn)型。市場轉(zhuǎn)型過程中，對性能更強、價格更低的動力電池產(chǎn)生巨大需求，目前動力電池仍然是導致電動汽車價格高昂的主要因素。

據(jù)麥肯錫公司預測，電芯市場預計將以每年超過20%的速度增長，到2030年將達到4100億美元。從2020年到2030年，市場規(guī)模將增長 10 倍。

設計動力電池時，必須進行嚴格的測試以了解電池的性能。

性能目標

推動動力電池的進步是提高汽車經(jīng)濟性、社會認可度和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。美國先進電池聯(lián)盟 (USABC) 發(fā)布了相關(guān)指南，指明了下一代電動汽車電池的性能和成本目標。隨著汽車行業(yè)探索新的電池化學和電芯技術(shù)，需要實現(xiàn)以下三個主要目標，以增加電動汽車的普及率：

●   將動力電池的成本降低到每千瓦時不超過 100 美元——終極目標是 75 美元。

●   將電動汽車的續(xù)航里程增加到 300 英里。

●   將充電時間縮短到 15 分鐘以下。

只有經(jīng)過嚴格的測試，才能確保每個制造電芯都能滿足強制性能標準。設計、驗證和生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要實施大量測試，但本文將重點介紹有助于了解電池質(zhì)量的關(guān)鍵幾項測試。

開路電壓 (OCV) 測量

電池儲存能量，在正負極端子之間產(chǎn)生電壓電勢。我們在電路中使用這種能量。電池未連接任何電路時，這種電勢稱為開路電壓 (OCV)。這個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 在充電和放電過程中會發(fā)生變化。在充電和放電過程中監(jiān)測電池的狀態(tài)，確保電池既不過充也不過放。電池制造過程中必須多次充電和放電，OCV 監(jiān)測是驗證過程和最終應用的一部分。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 以報告其狀態(tài)。

當電池與負載斷開連接時，仍然會有少量電流在內(nèi)部流動。這被稱為自放電電流。電池電芯的 OCV 相對恒定，但在數(shù)周的時間內(nèi)會產(chǎn)生數(shù)十到數(shù)百微伏的細微變化。對于質(zhì)量不佳的電池，這個數(shù)值會更高。OCV 測量可以檢測電池自放電情況并鑒別有缺陷的電芯。

OCV 是一種相對簡單的測量方法。如圖 1 所示，直接將數(shù)字萬用表 (DMM) 連接到電池并測量直流電壓。

圖1 對電芯執(zhí)行開路電壓測量需要將萬用表連接到電池的正負極端子

對于只需要確認 OCV 的應用，任何 6位半 DMM 都可以勝任這項工作。對于自放電測試之類的應用，需要檢測電壓的微小變化，將需要一個精度更高的（7位半）DMM。

例如，對于質(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，對于失效或有缺陷的電芯，這種損失可能達到幾百毫伏。每天就可能損失幾微伏。對 3.7 V 電芯執(zhí)行 OCV 測量，一臺典型的 6位半 DMM 在 1 年校準中存在 142 μV 的誤差。然而，7位半 DMM 在同等條件下存在 63.8 μV 的誤差。

內(nèi)阻和負載電阻

我們可以將電池簡單理解為一個裝滿能量的杯子。當我們需要能量時，連接電路并讓能量流出。然而，這個比喻并沒有考慮到電池內(nèi)阻。將電池比作水瓶更恰當。當裝滿水的瓶子倒置時，水并不能自由流出，因為瓶嘴或者瓶頸會阻礙水流動。與此類似，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。這種內(nèi)阻不僅包含電阻成分，還包含電容成分，因此不易測量。

與 OCV 類似，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。過高的內(nèi)阻在電池工作過程中也會產(chǎn)生過多的熱量，如果電池熱失控，安全隱患極大。在使用前測量內(nèi)阻有助于識別可能存在失效風險的電芯。對于鋰離子電池，質(zhì)量良好的電芯的內(nèi)阻可以達到 100 m?，而質(zhì)量差或失效的電芯可能達到幾百毫歐。表征內(nèi)阻的方法有多種，用于評估性能的不同方面。

電化學阻抗譜(EIS)

第一種技術(shù)是電化學阻抗譜 (EIS)。在這個測試方法中，在一個寬頻譜（0.5 Hz 到超過 100 kHz）對電池施加交流信號（通常是幾百毫安，但在某些情況下可能是幾安）并測量電池的響應。這個測試可能需要幾分鐘到幾小時（頻率越低，測試時間越長），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)

最常見的方法被稱為交流內(nèi)阻 (ACIR)。由于這是一種交流技術(shù)，它確實可以表征內(nèi)阻。ACIR 是 EIS 過程的一個子集，在單一頻率（通常為 1 kHz）下進行測量。該測試表征了小信號性能，可以完美指示電池質(zhì)量，比完整的 EIS 過程速度更快。占用時間短使其成為生產(chǎn)中的熱門測試方法，每個電池都必須通過該測試。

直流內(nèi)阻(DCIR)

最后一種方法是直流內(nèi)阻 (DCIR)，也稱為脈沖表征。在這種方法中，只測量電阻成分，因為我們假設電池由理想的開路電壓和串聯(lián)電阻表示，如圖 2 所示。

圖2 DCIR 電池模型包括一個理想的電壓源和一個內(nèi)部電阻器

在一定的時間內(nèi)對電池施加直流電流。測量電池電壓的變化以計算電阻。圖 3中的圖表對此進行了演示。

圖3 DCIR測量方法測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 (100 mA) 大得多，更接近實際的應用場景，因為電池經(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，識別不能在高電流下工作的電池非常重要。

在早期和頻繁地進行測試

驗證過程需要實施大量測試，從化學和材料制造開始（測量電解液填充后的隔離，電芯充放電，短路條件等）到電芯準備打包并運送到最終應用，如電網(wǎng)能源存儲，消費電子產(chǎn)品和電動汽車。驗證和確認測試的目標始終是在它們進行到下一個流程之前識別故障電芯，避免材料和時間浪費。每個環(huán)節(jié)的測試都必不可少，因為有諸多因素可能影響電池性能。

表面上，開路電壓測試和內(nèi)阻測試的目標一致：識別出無法達到性能預期的電池。然而，兩者缺一不可，因為它們分別測試不同的指標。開路電壓測試側(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)或制造過程中的錯誤形成等缺陷引起。高阻抗可能由其他因素引起。只有通過直接阻抗測量才能找出導致高阻抗的原因。例如電極到標簽的不良焊接。

對于動力電池，美國高級電池聯(lián)盟 (USABC) 為優(yōu)化電池安全性、性能和可靠性設定的目標應作為當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)鍵是從可以識別故障的有效測量開始。借助適當?shù)脑O備和測試，制造商、研究人員、設計師甚至最終用戶都可以全面了解他們電池的未來性能。