【導讀】電動(dòng)汽車(chē) (EV) 在 2022 年占據全球汽車(chē)銷(xiāo)售份額的 13%，預計到2030年將占據全球汽車(chē)銷(xiāo)售份額的30%。該行業(yè)需要繼續加大研發(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)轉型。市場(chǎng)轉型過(guò)程中，對性能更強、價(jià)格更低的動(dòng)力電池產(chǎn)生巨大需求，目前動(dòng)力電池仍然是導致電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格高昂的主要因素。
電動(dòng)汽車(chē) (EV) 在 2022 年占據全球汽車(chē)銷(xiāo)售份額的 13%，預計到2030年將占據全球汽車(chē)銷(xiāo)售份額的30%。該行業(yè)需要繼續加大研發(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)轉型。市場(chǎng)轉型過(guò)程中，對性能更強、價(jià)格更低的動(dòng)力電池產(chǎn)生巨大需求，目前動(dòng)力電池仍然是導致電動(dòng)汽車(chē)價(jià)格高昂的主要因素。
據麥肯錫公司預測，電芯市場(chǎng)預計將以每年超過(guò)20%的速度增長(cháng)，到2030年將達到4100億美元。從2020年到2030年，市場(chǎng)規模將增長(cháng) 10 倍。
設計動(dòng)力電池時(shí)，必須進(jìn)行嚴格的測試以了解電池的性能。
性能目標
推動(dòng)動(dòng)力電池的進(jìn)步是提高汽車(chē)經(jīng)濟性、社會(huì )認可度和環(huán)境可持續發(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(chē)電池的性能和成本目標。隨著(zhù)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)現以下三個(gè)主要目標，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——終極目標是 75 美元。
? 將電動(dòng)汽車(chē)的續航里程增加到 300 英里。
? 將充電時(shí)間縮短到 15 分鐘以下。
只有經(jīng)過(guò)嚴格的測試，才能確保每個(gè)制造電芯都能滿(mǎn)足強制性能標準。設計、驗證和生產(chǎn)環(huán)節需要實(shí)施大量測試，但本文將重點(diǎn)介紹有助于了解電池質(zhì)量的關(guān)鍵幾項測試。
開(kāi)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(shí)，這種電勢稱(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)程中監測電池的狀態(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 監測是驗證過(guò)程和最終應用的一部分。由大量電芯構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(kāi)連接時(shí)，仍然會(huì )有少量電流在內部流動(dòng)。這被稱(chēng)為自放電電流。電池電芯的 OCV 相對恒定，但在數周的時(shí)間內會(huì )產(chǎn)生數十到數百微伏的細微變化。對于質(zhì)量不佳的電池，這個(gè)數值會(huì )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(jiǎn)單的測量方法。如圖 1 所示，直接將數字萬(wàn)用表 (DMM) 連接到電池并測量直流電壓。
圖 1. 對電芯執行開(kāi)路電壓測量需要將萬(wàn)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(lèi)的應用，需要檢測電壓的微小變化，將需要一個(gè)精度更高的（7位半）DMM。
例如，對于質(zhì)量良好的電芯，在四周內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。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。
內阻和負載電阻
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)有考慮到電池內阻。將電池比作水瓶更恰當。當裝滿(mǎn)水的瓶子倒置時(shí)，水并不能自由流出，因為瓶嘴或者瓶頸會(huì )阻礙水流動(dòng)。與此類(lèi)似，電池存在內阻，由于老化、材料質(zhì)量和結構上的缺陷等因素，阻礙能量的流動(dòng)。這種內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(lèi)似，內阻反映了電池的質(zhì)量以及它在使用期限內的性能變化。內阻較高的電池效率更低，更容易失效。過(guò)高的內阻在電池工作過(guò)程中也會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的熱量，如果電池熱失控，安全隱患極大。在使用前測量?jì)茸栌兄谧R別可能存在失效風(fēng)險的電芯。對于鋰離子電池，質(zhì)量良好的電芯的內阻可以達到 100 m?，而質(zhì)量差或失效的電芯可能達到幾百毫歐。表征內阻的方法有多種，用于評估性能的不同方面。
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)測試方法中，在一個(gè)寬頻譜（0.5 Hz 到超過(guò) 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(gè)測試可能需要幾分鐘到幾小時(shí)（頻率越低，測試時(shí)間越長(cháng)），但可以得出電池內阻抗行為的全方位數據。
交流內阻 (ACIR)
最常見(jiàn)的方法被稱(chēng)為交流內阻 (ACIR)。由于這是一種交流技術(shù)，它確實(shí)可以表征內阻。ACIR 是 EIS 過(guò)程的一個(gè)子集，在單一頻率（通常為 1 kHz）下進(jìn)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(guò)程速度更快。占用時(shí)間短使其成為生產(chǎn)中的熱門(mén)測試方法，每個(gè)電池都必須通過(guò)該測試。
直流內阻 (DCIR)
最后一種方法是直流內阻 (DCIR)，也稱(chēng)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(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)內部電阻器。
在一定的時(shí)間內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(jìn)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(shí)際的應用場(chǎng)景，因為電池經(jīng)常承受突然的高電流。電池的內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(jìn)行測試
驗證過(guò)程需要實(shí)施大量測試，從化學(xué)和材料制造開(kāi)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(dòng)汽車(chē)。驗證和確認測試的目標始終是在它們進(jìn)行到下一個(gè)流程之前識別故障電芯，避免材料和時(shí)間浪費。每個(gè)環(huán)節的測試都必不可少，因為有諸多因素可能影響電池性能。
表面上，開(kāi)路電壓測試和內阻測試的目標一致：識別出無(wú)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(kāi)路電壓測試側重于電容和自放電，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(dòng)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(kāi)始。借助適當的設備和測試，制造商、研究人員、設計師甚至最終用戶(hù)都可以全面了解他們電池的未來(lái)性能。
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