【導讀】電動汽車 (EV) 在 2022 年占據全球汽車銷售份額的 13%，預計到2030年將占據全球汽車銷售份額的30%。該行業需要繼續加大研發力度，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型。市場轉型過程中，對性能更強
、價格更低的動力電池產生巨大需求，目前動力電池仍然是導致電動汽車價格高昂的主要因素。

電動汽車 (EV) 在 2022 年占據全球汽車銷售份額的 13%，預計到2030年將占據全球汽車銷售份額的30%。該行業需要繼續加大研發力度，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型。市場轉型過程中，對性能更強、價格更低的動力電池產生巨大需求
，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濟性、社會認可度和環境可持續發展的關鍵。美國先進電池聯盟 (USABC) 發fa布bu了le相xiang關guan指zhi南nan，指zhi明ming了le下xia一yi代dai電dian動dong汽qi車che電dian池chi的de性xing能neng和he成cheng本ben目mu標biao。隨sui著zhe汽qi車che行xing業ye探tan索suo新xin的de電dian池chi化hua學xue和he電dian芯xin技ji術shu，需xu要yao實shi現xian以yi下xia三san個ge主zhu要yao目mu標biao，以yi增zeng加jia電dian動dong汽qi車che的de普pu及ji率lv：

• 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。

• 將電動汽車的續航裏程增加到 300 英裏。

• 將充電時間縮短到 15 分鍾以下。

隻有經過嚴格的測試
，才能確保每個製造電芯都能滿足強製性能標準。設計、驗證和生產環節需要實施大量測試，但本文將重點介紹有助於了解電池質量的關鍵幾項測試。

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，也就是電池包含多少能量的度量。

電池的 OCV 在zai充chong電dian和he放fang電dian過guo程cheng中zhong會hui發fa生sheng變bian化hua。在zai充chong電dian和he放fang電dian過guo程cheng中zhong監jian測ce電dian池chi的de狀zhuang態tai
，確que保bao電dian池chi既ji不bu過guo充chong也ye不bu過guo放fang。電dian池chi製zhi造zao過guo程cheng中zhong必bi須xu多duo次ci充chong電dian和he放fang電dian，OCV 監測是驗證過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，用於跟蹤電芯和模塊的 OCV 以報告其狀態。

當電池與負載斷開連接時
，仍然會有少量電流在內部流動。這被稱為自放電電流。電池電芯的 OCV 相對恒定，但在數周的時間內會產生數十到數百微伏的細微變化。對於質量不佳的電池，這個數值會更高。OCV 測量可以檢測電池自放電情況並鑒別有缺陷的電芯。

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

圖 1. 對電芯執行開路電壓測量需要將萬用表連接到電池的正負極端子。

對於隻需要確認 OCV 的應用，任何 6位半 DMM 都可以勝任這項工作。對於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(li)如(ru)，對(dui)於(yu)質(zhi)量(liang)良(liang)好(hao)的(de)電(dian)芯(xin)，在(zai)四(si)周(zhou)內(nei)自(zi)放(fang)電(dian)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)荷(he)損(sun)失(shi)通(tong)常(chang)較(jiao)小(xiao)，一(yi)般(ban)在(zai)幾(ji)毫(hao)伏(fu)到(dao)幾(ji)十(shi)毫(hao)伏(fu)的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)。然(ran)而(er)
，對(dui)於(yu)失(shi)效(xiao)或(huo)有(you)缺(que)陷(xian)的(de)電(dian)芯(xin)，這(zhe)種(zhong)損(sun)失(shi)可(ke)能(neng)達(da)到(dao)幾(ji)百(bai)毫(hao)伏(fu)。每(mei)天(tian)就(jiu)可(ke)能(neng)損(sun)失(shi)幾(ji)微(wei)伏(fu)。對(dui) 3.7 V 電芯執行 OCV 測量，一台典型的 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wo們men可ke以yi將jiang電dian池chi簡jian單dan理li解jie為wei一yi個ge裝zhuang滿man能neng量liang的de杯bei子zi。當dang我wo們men需xu要yao能neng量liang時shi
，連lian接jie電dian路lu並bing讓rang能neng量liang流liu出chu。然ran而er，這zhe個ge比bi喻yu並bing沒mei有you考kao慮lv到dao電dian池chi內nei阻zu。將jiang電dian池chi比bi作zuo水shui瓶ping更geng恰qia當dang。當dang裝zhuang滿man水shui的de瓶ping子zi倒dao置zhi時shi，水shui並bing不bu能neng自zi由you流liu出chu，因yin為wei瓶ping嘴zui或huo者zhe瓶ping頸jing會hui阻zu礙ai水shui流liu動dong。與yu此ci類lei似si，電dian池chi存cun在zai內nei阻zu，由you於yu老lao化hua
、材料質量和結構上的缺陷等因素，阻礙能量的流動。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lei似si，內nei阻zu反fan映ying了le電dian池chi的de質zhi量liang以yi及ji它ta在zai使shi用yong期qi限xian內nei的de性xing能neng變bian化hua。內nei阻zu較jiao高gao的de電dian池chi效xiao率lv更geng低di，更geng容rong易yi失shi效xiao。過guo高gao的de內nei阻zu在zai電dian池chi工gong作zuo過guo程cheng中zhong也ye會hui產chan生sheng過guo多duo的de熱re量liang，如ru果guo電dian池chi熱re失shi控kong，安an全quan隱yin患huan極ji大da。在zai使shi用yong前qian測ce量liang內nei阻zu有you助zhu於yu識shi別bie可ke能neng存cun在zai失shi效xiao風feng險xian的de電dian芯xin。對dui於yu鋰li離li子zi電dian池chi，質zhi量liang良liang好hao的de電dian芯xin的de內nei阻zu可ke以yi達da到dao 100 mΩ，而質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，用於評估性能的不同方麵。

電化學阻抗譜 (EIS)

第一種技術是電化學阻抗譜 (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）並測量電池的響應。這個測試可能需要幾分鍾到幾小時（頻率越低，測試時間越長），但可以得出電池內阻抗行為的全方位數據。

交流內阻 (ACIR)

最常見的方法被稱為交流內阻 (ACIR)。由於這是一種交流技術，它確實可以表征內阻。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量

，比完整的 EIS 過程速度更快。占用時間短使其成為生產中的熱門測試方法，每個電池都必須通過該測試。

直流內阻 (DCIR)

最後一種方法是直流內阻 (DCIR)，也稱為脈衝表征。在這種方法中，隻測量電阻成分
，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部電阻器。

在一定的時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(da)得(de)多(duo)，更(geng)接(jie)近(jin)實(shi)際(ji)的(de)應(ying)用(yong)場(chang)景(jing)
，因(yin)為(wei)電(dian)池(chi)經(jing)常(chang)承(cheng)受(shou)突(tu)然(ran)的(de)高(gao)電(dian)流(liu)。電(dian)池(chi)的(de)內(nei)阻(zu)是(shi)電(dian)池(chi)輸(shu)出(chu)大(da)電(dian)流(liu)能(neng)力(li)的(de)最(zui)大(da)限(xian)製(zhi)因(yin)素(su)。因(yin)此(ci)

，識(shi)別(bie)不(bu)能(neng)在(zai)高(gao)電(dian)流(liu)下(xia)工(gong)作(zuo)的(de)電(dian)池(chi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)。

在早期和頻繁地進行測試

驗證過程需要實施大量測試
，從化學和材料製造開始（測量電解液填充後的隔離
，電芯充放電，短路條件等）到(dao)電(dian)芯(xin)準(zhun)備(bei)打(da)包(bao)並(bing)運(yun)送(song)到(dao)最(zui)終(zhong)應(ying)用(yong)，如(ru)電(dian)網(wang)能(neng)源(yuan)存(cun)儲(chu)，消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)和(he)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)。驗(yan)證(zheng)和(he)確(que)認(ren)測(ce)試(shi)的(de)目(mu)標(biao)始(shi)終(zhong)是(shi)在(zai)它(ta)們(men)進(jin)行(xing)到(dao)下(xia)一(yi)個(ge)流(liu)程(cheng)之(zhi)前(qian)識(shi)別(bie)故(gu)障(zhang)電(dian)芯(xin)，避(bi)免(mian)材(cai)料(liao)和(he)時(shi)間(jian)浪(lang)費(fei)。每(mei)個(ge)環(huan)節(jie)的(de)測(ce)試(shi)都(dou)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)
，因(yin)為(wei)有(you)諸(zhu)多(duo)因(yin)素(su)可(ke)能(neng)影(ying)響(xiang)電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)。

表麵上
，開路電壓測試和內阻測試的目標一致：識(shi)別(bie)出(chu)無(wu)法(fa)達(da)到(dao)性(xing)能(neng)預(yu)期(qi)的(de)電(dian)池(chi)。然(ran)而(er)，兩(liang)者(zhe)缺(que)一(yi)不(bu)可(ke)，因(yin)為(wei)它(ta)們(men)分(fen)別(bie)測(ce)試(shi)不(bu)同(tong)的(de)指(zhi)標(biao)。開(kai)路(lu)電(dian)壓(ya)測(ce)試(shi)側(ce)重(zhong)於(yu)電(dian)容(rong)和(he)自(zi)放(fang)電(dian)，這(zhe)些(xie)特(te)性(xing)可(ke)能(neng)由(you)於(yu)分(fen)離(li)器(qi)中(zhong)的(de)雜(za)質(zhi)或(huo)製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)中(zhong)的(de)錯(cuo)誤(wu)形(xing)成(cheng)等(deng)缺(que)陷(xian)引(yin)起(qi)。高(gao)阻(zu)抗(kang)可(ke)能(neng)由(you)其(qi)他(ta)因(yin)素(su)引(yin)起(qi)。隻(zhi)有(you)通(tong)過(guo)直(zhi)接(jie)阻(zu)抗(kang)測(ce)量(liang)才(cai)能(neng)找(zhao)出(chu)導(dao)致(zhi)高(gao)阻(zu)抗(kang)的(de)原(yuan)因(yin)。例(li)如(ru)電(dian)極(ji)到(dao)標(biao)簽(qian)的(de)不(bu)良(liang)焊(han)接(jie)。

對於動力電池，美國高級電池聯盟 (USABC) 為優化電池安全性、性(xing)能(neng)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)設(she)定(ding)的(de)目(mu)標(biao)應(ying)作(zuo)為(wei)當(dang)前(qian)化(hua)合(he)物(wu)電(dian)池(chi)以(yi)及(ji)超(chao)越(yue)鋰(li)離(li)子(zi)的(de)新(xin)興(xing)技(ji)術(shu)的(de)良(liang)好(hao)指(zhi)南(nan)。有(you)效(xiao)性(xing)能(neng)表(biao)征(zheng)的(de)關(guan)鍵(jian)是(shi)從(cong)可(ke)以(yi)識(shi)別(bie)故(gu)障(zhang)的(de)有(you)效(xiao)測(ce)量(liang)開(kai)始(shi)。借(jie)助(zhu)適(shi)當(dang)的(de)設(she)備(bei)和(he)測(ce)試(shi)
，製(zhi)造(zao)商(shang)、研究人員、設計師甚至最終用戶都可以全麵了解他們電池的未來性能。

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