陳嘉銘　郝雄博　趙宇明　李昊巍

摘 要：建立動(dòng)力電池全生命周期安全及性能檢測(cè)評(píng)價(jià)體系是保證動(dòng)力電池安全的重要手段。針對(duì)在用新能源車電池進(jìn)行檢測(cè)是提升電池使用安全及性能的有效方式。本文針對(duì)當(dāng)前動(dòng)力電池各階段的測(cè)試方法，及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，并重點(diǎn)對(duì)電池?zé)o損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入解析，分析各方法原理及應(yīng)用限制，為進(jìn)一步研究電池快速、便捷的檢測(cè)方法提供支撐。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 性能分析 電池測(cè)試 檢測(cè)技術(shù)

0 引言

動(dòng)力電池是目新能源汽車的重要?jiǎng)恿υ础楸ＷC電池全生命周期過程的安全性，在電池研發(fā)階段就需開展精確的性能測(cè)試檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化[1]。在電池使用階段也需進(jìn)行定期檢測(cè)，監(jiān)測(cè)電池健康狀態(tài)，以確保車輛可靠安全運(yùn)行[2]。此外，動(dòng)力電池進(jìn)入退役階段，為了確?；厥针姵氐脑倮没蛱幹玫陌踩液侠?，也要對(duì)電池進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。

綜上所述，電池的檢測(cè)測(cè)試覆蓋電池全生命周期各階段，如何開展動(dòng)力電池各階段的性能測(cè)試和安全性評(píng)價(jià)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。本文結(jié)合目前電池測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體、檢測(cè)技術(shù)裝備以及相關(guān)技術(shù)研究成果等，對(duì)動(dòng)力電池全生命周期的健康及安全檢測(cè)方法進(jìn)行整理和分析，為電池系統(tǒng)性測(cè)試與評(píng)價(jià)方法研究提供參考和支撐。

1 動(dòng)力電池檢驗(yàn)測(cè)試技術(shù)總體介紹

動(dòng)力電池檢驗(yàn)測(cè)試技術(shù)是以保證電池在全生命周期的穩(wěn)定、安全為前提，覆蓋設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到使用乃至回收的全過程，包括測(cè)試裝備、平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等。按照動(dòng)力電池所處周期階段，可將電池檢測(cè)測(cè)試技術(shù)劃分為四部分：車輛研發(fā)階段的電池安全性及性能測(cè)試、電池下線檢測(cè)（End of Line，EOL）、動(dòng)力電池服役期間的安全健康檢測(cè)以及電池回收檢測(cè)。

1.1 電池安全性及性能測(cè)試

電池安全性及性能測(cè)試目的是驗(yàn)證動(dòng)力電池單體是否滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，電池系統(tǒng)性能是否符合設(shè)計(jì)需求。測(cè)試項(xiàng)有電性能測(cè)試和安全性測(cè)試兩大類[3]。該階段電池測(cè)試有相對(duì)完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，且相應(yīng)的測(cè)試裝置也已經(jīng)形成成熟的規(guī)?；脑O(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造鏈條。

動(dòng)力電池電性能測(cè)試，主要是針對(duì)電池性能進(jìn)行評(píng)估，包括充放電倍率性能測(cè)試、高低溫充放電性能測(cè)試、電池能量轉(zhuǎn)換效率測(cè)試等。電性能測(cè)試覆蓋電池單體、模組及系統(tǒng)三個(gè)層級(jí)，且測(cè)試內(nèi)容、試驗(yàn)方法和性能檢驗(yàn)規(guī)則均有標(biāo)準(zhǔn)供參考。

電池安全性測(cè)試，主要是對(duì)電池的安全可靠性進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試項(xiàng)目包括振動(dòng)、過放、過充、短路、海水浸泡等。由于電池系統(tǒng)集成方式的演變，單體安全性考核逐漸不適用，目前標(biāo)準(zhǔn)已針對(duì)電池系統(tǒng)的安全性檢測(cè)要求進(jìn)行擴(kuò)充修訂[4]。安全標(biāo)準(zhǔn)要求單體或電池系統(tǒng)在測(cè)試試驗(yàn)后，應(yīng)不起火、不爆炸或無泄漏、外殼破損、無起火爆炸、無絕緣電阻異常等現(xiàn)象[5]，以保證電池的整體安全性能。

1.2 電池生產(chǎn)下線檢測(cè)

動(dòng)力電池系統(tǒng)下線測(cè)試是動(dòng)力電池車載使用前非常重要的檢查工序。下線測(cè)試的目的是檢驗(yàn)電池系統(tǒng)的電氣性能和功能是否正常，以及保證其安全可靠的運(yùn)行。按電池是否裝配到車端，可分為電池包下線測(cè)試和整車下線時(shí)的電池測(cè)試。電池包下線測(cè)試按電池系統(tǒng)是否裝配上蓋，又可分成上蓋封裝前測(cè)試、封裝后測(cè)試。上蓋裝配前主要進(jìn)行安規(guī)測(cè)試，上蓋裝配后執(zhí)行EOL靜態(tài)測(cè)試、EOL動(dòng)態(tài)測(cè)試以及容量測(cè)試及容量調(diào)整等[6]。目前行業(yè)還沒有形成通用的動(dòng)力電池下線測(cè)試規(guī)范。

1.3 電池服役期內(nèi)無損檢測(cè)技術(shù)

動(dòng)力電池?zé)o損檢測(cè)是指在不影響電池使用性能且不傷害電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下，利用各種物理或化學(xué)方法，借助各種技術(shù)設(shè)備，對(duì)電池性能進(jìn)行測(cè)評(píng)。按照測(cè)試原理，可將電池?zé)o損檢測(cè)分為兩大類，基于物理射線或超聲波等的電池原位檢測(cè)方法和基于電池充放電激勵(lì)工況的電化學(xué)分析方法。無損檢測(cè)方法由于檢測(cè)設(shè)備的特殊專業(yè)性或分析方法的不成熟，目前多數(shù)都只在試驗(yàn)室環(huán)境應(yīng)用，分析電池的性能演變規(guī)律或反應(yīng)原理，指導(dǎo)電池材料選擇、電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。但無損檢測(cè)技術(shù)由于其不會(huì)對(duì)電池本體造成破壞的電池檢測(cè)友好性，具有很大的深入研究價(jià)值或工程應(yīng)用空間。

1.4 電池回收檢測(cè)技術(shù)

車載動(dòng)力電池回收有兩種方式：回收利用和回收拆解。回收利用即是回收電池降級(jí)應(yīng)用，降級(jí)就是根據(jù)電池外觀、性能情況將電池進(jìn)行分選后，在低速電動(dòng)車、儲(chǔ)能等場(chǎng)景中繼續(xù)使用；拆解處理是指以物理化學(xué)等方式處理電池，提取電池的電解液、負(fù)極材料、正極材料等，實(shí)現(xiàn)材料層面的回收再用。

目前我國已制定了較為完善的動(dòng)力電池回收利用標(biāo)準(zhǔn)框架，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容涵蓋回收電池的壽命測(cè)試、可靠性測(cè)試、安全性測(cè)試和回收管理等多方面，涉及動(dòng)力電池回收利用全部階段，可分為四個(gè)大的系列，即通用要求、梯次利用、再生利用和管理規(guī)范，共20項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。截至2023年10月，已發(fā)布車載動(dòng)力電池回收利用標(biāo)準(zhǔn)9項(xiàng)[7]。已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)梯次利用和再生利用的具體檢測(cè)內(nèi)容和回收過程操作規(guī)范進(jìn)行了比較全面的規(guī)定。

2 電池?zé)o損檢測(cè)技術(shù)方法比較分析

電池?zé)o損檢測(cè)方法可分為原位檢測(cè)分析方法和電化學(xué)分析方法兩類。再進(jìn)一步原位檢測(cè)分析方法按檢測(cè)設(shè)備激勵(lì)源不同還可分為X射線、中子散射、超聲波檢測(cè)、拉曼散射技術(shù)等無損檢測(cè)方法[8]。電化學(xué)分析方法具體包括庫倫效率法、阻抗分析法、電壓弛豫法、電化學(xué)阻抗譜分析法等[9]。下面將系統(tǒng)地對(duì)各類電池?zé)o損檢測(cè)方法進(jìn)行介紹。

2.1 基于物理射線或超聲波的電池原位檢測(cè)方法

電池原位檢測(cè)，基本原理是通過設(shè)備產(chǎn)生射線光波或聲波，利用接收裝置接收通過被檢測(cè)電池的光波或聲波，形成能夠反應(yīng)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷的光譜圖像或聲波信號(hào)，進(jìn)而識(shí)別電池的電極表面形態(tài)、枝晶形態(tài)結(jié)構(gòu)等，完成對(duì)電池狀態(tài)的評(píng)估分析。

2.1.1 計(jì)算機(jī)斷層掃描掃描檢測(cè)

CT技術(shù)，通過X射線的穿透和計(jì)算機(jī)重建技術(shù)（Computed Tomography，CT），生成物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像。應(yīng)用CT檢測(cè)電池，能夠清晰的顯示出電池內(nèi)部的電極、隔膜、電解液等結(jié)構(gòu)，可直觀的觀測(cè)出各部位存在的異常情況。葛春平等使用X射線檢測(cè)方形電池極耳區(qū)域結(jié)合局部均值及標(biāo)準(zhǔn)差法提取輪廓形態(tài)，判定極耳是否存在異常[10]。陳家智等利用X射線掃描電池正負(fù)極區(qū)域并利用空域?yàn)V波、形態(tài)學(xué)操作等對(duì)ROI圖像進(jìn)行處理，對(duì)電池正負(fù)極冗余度缺陷進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確率可達(dá)98.5%[11]。

2.1.2 中子散射掃描檢測(cè)

中子散射就是利用中子散射方法研究物體的靜態(tài)結(jié)構(gòu)及其微觀動(dòng)力學(xué)性質(zhì)[12]。Wang等采用中子掃描技術(shù)識(shí)別全電池在充放電過程中的結(jié)構(gòu)演變特征，并結(jié)合多相結(jié)構(gòu)精修和最大熵分析方法，全面解析了電極材料反位缺陷演變和鋰離子遷移路徑問題[13]。Po-Han Lee等利用中子掃描技術(shù)對(duì)18650電池的存儲(chǔ)過程衰降機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)75%SOC的電池活性物質(zhì)的損失，導(dǎo)致容量衰降最為嚴(yán)重[14]。

2.1.3 拉曼散射檢測(cè)

拉曼散射檢測(cè)是基于拉曼散射效應(yīng)原理的一種光譜分析方法。拉曼光譜分析在電池材料、電解質(zhì)、固體電解質(zhì)薄膜分析方面應(yīng)用廣泛[15]。方婷婷等分別利用原位拉曼、原位XRD以及 SEM 技術(shù)對(duì)電芯材料在充放電過程中的氧化/還原反應(yīng)產(chǎn)物、晶體變化、表面形貌等進(jìn)行分析，驗(yàn)證了三種技術(shù)識(shí)別結(jié)果的一致性[16]。陳達(dá)等借助拉曼光譜分析方法，對(duì)電池?zé)崾Э貧怏w進(jìn)行在線分析，確定了電池?zé)崾Э剡^程各階段釋放的氣體成分并構(gòu)建了特征氣體的拉曼光譜定量模型，可有效得評(píng)估熱失控的危險(xiǎn)性[17]。

2.1.4 超聲波檢測(cè)

電池超聲波檢測(cè)，即使用超聲波對(duì)電池進(jìn)行投射，基于彈性波理論分析投射過電池的超聲波參數(shù)，反推出電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)。Ke Q等利用超聲檢測(cè)方式建立了電池SOC聲學(xué)表征理論模型，并通過驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了模型表征電池SOC狀態(tài)的準(zhǔn)確性[18]。此外超聲波檢測(cè)還可用于電池內(nèi)部產(chǎn)氣情況的識(shí)別，確定產(chǎn)氣位置、范圍及產(chǎn)氣量的大小[19]。

除以上方法外，還有其他類似的電池檢測(cè)方法，如核磁共振光譜、投射電子顯微鏡等檢測(cè)方法。原位分析方法設(shè)備成本、檢測(cè)條件等方面的限制，往往只能對(duì)電芯進(jìn)行分析，無法滿足電池系統(tǒng)層級(jí)的檢測(cè)需求。

2.2 基于充放電測(cè)試的電池電化學(xué)分析方法

電化學(xué)分析方法，原理是隨著電池使用其內(nèi)部材料損耗、電極表面結(jié)構(gòu)變化等會(huì)引起電池的內(nèi)阻、電壓、容量等參數(shù)出現(xiàn)變化。通過識(shí)別上述電池電化學(xué)特征參數(shù)，反向推斷電池的內(nèi)部的微觀變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池性能及健康狀態(tài)評(píng)估。

2.2.1 庫倫效率法

庫倫效率，其定義為電池放電過程放出電量與同循環(huán)的充電過程充入電量之比。電池庫倫效率與活性里的損失關(guān)聯(lián)密切，可用于電池性能的分析預(yù)測(cè)。Yang等利用庫倫效率參數(shù)構(gòu)建了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治鲭姵厝萘康耐嘶?，并設(shè)計(jì)了電池循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)算法精度進(jìn)行了驗(yàn)證[20]。Adams等分析研究了影響電池庫倫效率測(cè)試的各種因素，提出精準(zhǔn)測(cè)量庫倫效率的方法，并可根據(jù)庫倫效率測(cè)試值量化分析電池循環(huán)過程中鋰消耗情況[21]。

2.2.2 電壓弛豫法

電壓弛豫法，即通過分析電池充放電后的靜置階段電壓隨時(shí)間變化曲線，識(shí)別異?；蜻M(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。龔輝等利用弛豫電壓曲線斜率識(shí)別電池內(nèi)短路故障并建立了擬合模型，通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型內(nèi)短路程度識(shí)別的準(zhǔn)確性[22]。Zhu等利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，基于電池弛豫電壓曲線提取特征參數(shù)建立電池容量估算模型，測(cè)試結(jié)果表明利用電池弛豫電壓的估計(jì)容量具有較好的適用性[23]。

2.2.3 阻抗分析法

電池阻抗是重要的電池特征參數(shù)之一，其含義是指電流在通過電池時(shí)受到的阻力，包括電池內(nèi)阻及外部接觸阻抗等。通過阻抗分析可對(duì)電池老化析鋰問題進(jìn)行識(shí)別。李奇松等通過間歇式充電休眠方式獲取電池阻抗信息，并基于阻抗數(shù)據(jù)識(shí)別了電池析鋰情況，通過與弛豫電壓分析法對(duì)比驗(yàn)證了方法的可靠性[24]。

2.2.4 電化學(xué)阻抗譜分析法

電化學(xué)阻抗譜原理是在對(duì)電池加載不同頻率的小幅電壓正弦信號(hào)，電池響應(yīng)不同頻率的電流響應(yīng)信號(hào)，激勵(lì)電壓和響應(yīng)電流相除即可得到電池阻抗譜。電化學(xué)阻抗譜在鋰離子電池領(lǐng)域的研究應(yīng)用十分廣泛，包括研究電極界面反應(yīng)機(jī)理、容量衰減機(jī)制等等[25]。孫丙香等基于低頻阻抗譜提取電池健康特征，基于融合特征建立多元回歸模型預(yù)測(cè)電池健康狀態(tài)，估計(jì)準(zhǔn)確度超90%[26]。張闖等利用阻抗測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)了基于動(dòng)態(tài)阻抗特征的內(nèi)短路在線識(shí)別，并通過試驗(yàn)證明了方法的有效性。

此外，同類方法還有容量增量分析法、動(dòng)態(tài)放電檢測(cè)法、非線性頻率響應(yīng)法等等。上述，基于充放電測(cè)試的電池電化學(xué)分析方法雖然可實(shí)現(xiàn)電池的無損檢測(cè)分析，但也存在使用限制，如庫倫效率法，需要應(yīng)用高精度電流傳感器才能達(dá)到較高的預(yù)測(cè)精度；阻抗譜分析法，需要使用專業(yè)的阻抗測(cè)試儀，且目前主要分析對(duì)象是單體電芯，使用場(chǎng)景受限。要實(shí)現(xiàn)對(duì)車載環(huán)境下的動(dòng)力電池系統(tǒng)檢測(cè)，還需要進(jìn)行大量的驗(yàn)證分析工作，并結(jié)合實(shí)際檢測(cè)環(huán)境的設(shè)備、場(chǎng)地等限制條件對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整及優(yōu)化，以滿足車載動(dòng)力電池檢測(cè)應(yīng)用需求。

3結(jié)束語

本文針對(duì)新能源動(dòng)力電池檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，將電池檢測(cè)根據(jù)電池所處階段不同，劃分為4類，包括電池安全性及性能測(cè)試、電池下線檢測(cè)（End of Line，EOL）、動(dòng)力電池服役期間的安全健康檢測(cè)及電池回收檢測(cè)。同時(shí)重點(diǎn)針對(duì)動(dòng)力電池?zé)o損檢測(cè)方法進(jìn)行了總結(jié)。對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全生命周期的狀態(tài)檢測(cè)，可有效的提升動(dòng)力電池運(yùn)行可靠性及安全性，對(duì)新能源汽車發(fā)展有很大促進(jìn)作用。構(gòu)建全生命周期的動(dòng)力電池檢測(cè)體系，尤其針對(duì)在動(dòng)力電池車載服役期間建立快速、便捷、準(zhǔn)確的評(píng)估評(píng)價(jià)方法，將極大的提升新能源汽車的安全性水平，并可極大促進(jìn)新能源汽車的發(fā)展。

基金項(xiàng)目：規(guī)?；妱?dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用（一期）（項(xiàng)目編號(hào)：090000KK52210132）。

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