電池測(cè)試成為電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素

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電動(dòng)汽車 (EV) 在 2022 年占據(jù)全球汽車銷售份額的 13%，預(yù)計(jì)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(jià)格親民的車型，促進(jìn)燃油車市場(chǎng)向電動(dòng)車市場(chǎng)轉(zhuǎn)型。市場(chǎng)轉(zhuǎn)型過程中，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)汽車電池的性能和成本目標(biāo)。隨著汽車行業(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)汽車的普及率：

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

●   將電動(dòng)汽車的續(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)過嚴(yán)格的測(cè)試，才能確保每個(gè)制造電芯都能滿足強(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，但本文將重點(diǎn)介紹有助于了解電池質(zhì)量的關(guān)鍵幾項(xiàng)測(cè)試。

開路電壓 (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)稱為開路電壓 (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 在充電和放電過程中會(huì)發(fā)生變化。在充電和放電過程中監(jiān)測(cè)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(cè)是驗(yàn)證過程和最終應(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)載斷開連接時(shí)，仍然會(huì)有少量電流在內(nèi)部流動(dòng)。這被稱為自放電電流。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)行開路電壓測(cè)量需要將萬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) 3.7 V 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 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(fù)載電阻

我們可以將電池簡(jiǎn)單理解為一個(gè)裝滿能量的杯子。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)比喻并沒有考慮到電池內(nèi)阻。將電池比作水瓶更恰當(dāng)。當(dāng)裝滿水的瓶子倒置時(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(huì)產(chǎn)生過多的熱量，如果電池?zé)崾Э兀踩[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 100 m?，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（0.5 Hz 到超過 100 kHz）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(shí)可以表征內(nèi)阻。ACIR 是 EIS 過程的一個(gè)子集，在單一頻率（通常為 1 kHz）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 過程速度更快。占用時(shí)間短使其成為生產(chǎn)中的熱門測(cè)試方法，每個(gè)電池都必須通過該測(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 (100 mA) 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。

在早期和頻繁地進(jìn)行測(cè)試

驗(yàn)證過程需要實(shí)施大量測(cè)試，從化學(xué)和材料制造開始（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。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，開路電壓測(cè)試和內(nèi)阻測(cè)試的目標(biāo)一致：識(shí)別出無法達(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)師甚至最終用戶都可以全面了解他們電池的未來性能。