電池測試項目主要包括:
物理性能的測試:如尺寸、重量、密度、外觀、氣密等;
電化學(xué)性能測試:如充放電、耐壓、內(nèi)阻等;
環(huán)境適應(yīng)性測試:如高低溫、溫度循環(huán)、溫度沖擊、濕度、鹽霧、機械沖擊、振動等;
安全性測試:針刺、火燒、過充、過放等。
縱觀近幾年,眾多電池企業(yè)紛紛為新品賦予非常“引人注目”的名字,如“4680”、“頂流”、“M3P”、“短刀”“凝聚態(tài)”,從而讓主機廠至終端用戶均能迅速識別品牌標(biāo)識。
要實現(xiàn)電池產(chǎn)品的差異化創(chuàng)新,不僅僅依賴于基礎(chǔ)研發(fā)人員對材料特性的深入研究和創(chuàng)新思維的發(fā)揮,更離不開更高效有力的檢測。
除了安全之外,還有一個由時間、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和資源組成的巨大金錢三角,它產(chǎn)生了電動汽車電池測試的三大挑戰(zhàn):
l電動汽車電池測試是應(yīng)用驅(qū)動的,因為鋰離子電池、電池和模塊需要以電動汽車的使用方式進行測試。因此需要重新配置電池測試設(shè)備,以模擬不同應(yīng)用并適應(yīng)電池產(chǎn)品的變化。這意味著需要進行大量資本投資,既要投資正在使用的電動汽車電池測試設(shè)備,也要投資不同測試夾具的集成,以適應(yīng)這些變化。
關(guān)乎電池質(zhì)量主要包括以下幾個關(guān)鍵測試:
一、開路電壓 (OCV) 測量
電池通過儲存能量,在正負極端子之間形成電壓電勢,這種能量在電路中得以應(yīng)用。當(dāng)電池未接入任何電路時,該電勢被稱為開路電壓(OCV),這一數(shù)值直接體現(xiàn)了電池的充電狀態(tài),是量化電池所含能量的重要指標(biāo)。
在電池的充電與放電過程中,OCV 會產(chǎn)生變化。為了確保電池在使用過程中既不過度充電也不過度放電,我們需要在這一過程中對電池狀態(tài)進行監(jiān)控。電池在制造過程中,需要經(jīng)過多次的充放電循環(huán),其中OCV的監(jiān)測是驗證過程及最終應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于由大量電芯組成的電池組,通常會配備管理芯片,用于追蹤電芯及模塊的OCV,從而報告其狀態(tài)。
當(dāng)電池與負載斷開連接時,其內(nèi)部仍會有微量的電流流動,這種現(xiàn)象被稱為自放電電流。電池電芯的OCV在一般情況下保持相對穩(wěn)定,但在數(shù)周的時間內(nèi),可能會出現(xiàn)數(shù)十至數(shù)百微伏的細微變化。對于質(zhì)量欠佳的電池,這一變化可能會更為明顯。通過OCV測量,我們可以檢測電池的自放電情況,并識別出有缺陷的電芯。
OCV的測量方法相對簡單,如下圖所示,只需將數(shù)字萬用表(DMM)直接連接到電池上,即可測量其直流電壓。

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(rèn) OCV 的應(yīng)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(yīng)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(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。
二、內(nèi)阻和負載電阻
電池可被視為一個蘊含能量的容器。在能量需求時,通過連接電路使能量得以釋放。然而,此比喻未涵蓋電池內(nèi)阻這一關(guān)鍵因素。更為恰當(dāng)?shù)谋扔魇牵姵厝缤粋€裝滿水的水瓶。當(dāng)水瓶倒置時,水流受到瓶口或瓶頸的限制而無法自由流動。類似地,電池內(nèi)阻由于老化、材料質(zhì)量或結(jié)構(gòu)缺陷等因素,會阻礙能量的順暢傳遞。這種內(nèi)阻既包含電阻成分,也涉及電容成分,因此測量起來較為復(fù)雜。
與開路電壓(OCV)類似,內(nèi)阻是電池質(zhì)量和其性能隨時間變化的重要指標(biāo)。內(nèi)阻較高的電池效率較低,且更容易失效。過高的內(nèi)阻在電池工作過程中還會產(chǎn)生過多熱量,若發(fā)生熱失控,將帶來極大的安全隱患。因此,在使用前對內(nèi)阻進行測量,有助于識別可能存在失效風(fēng)險的電芯。以鋰離子電池為例,質(zhì)量良好的電芯內(nèi)阻可低至100 m?,而質(zhì)量不佳或已失效的電芯內(nèi)阻可能高達數(shù)百毫歐。評估內(nèi)阻的方法多種多樣,旨在全面評估電池性能的不同方面。
三、電化學(xué)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(yīng)。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)。
四、交流內(nèi)阻 (ACIR)
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。
五、直流內(nèi)阻 (DCIR)
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(shè)電池由理想的開路電壓和串聯(lián)電阻表示,如下圖所示。

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。圖表對此進行了演示。

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(yīng)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。