新能源動力電池健康及安全檢測技術(shù)現(xiàn)狀研究

陳嘉銘　郝雄博　趙宇明　李昊巍

摘 要：建立動力電池全生命周期安全及性能檢測評價體系是保證動力電池安全的重要手段。針對在用新能源車電池進(jìn)行檢測是提升電池使用安全及性能的有效方式。本文針對當(dāng)前動力電池各階段的測試方法，及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，并重點對電池?zé)o損檢測技術(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、便捷的檢測方法提供支撐。

關(guān)鍵詞：動力電池 性能分析 電池測試 檢測技術(shù)

0 引言

動力電池是目新能源汽車的重要動力源。為保證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試檢測試驗，對設(shè)計進(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，監(jiān)測電池健康狀態(tài)，以確保車輛可靠安全運行[2]。此外，動力電池進(jìn)入退役階段，為了確保回收電池的再利用或處置的安全且合理，也要對電池進(jìn)行狀態(tài)檢測。

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

1 動力電池檢驗測試技術(shù)總體介紹

動力電池檢驗測試技術(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、生產(chǎn)到使用乃至回收的全過程，包括測試裝備、平臺、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等。按照動力電池所處周期階段，可將電池檢測測試技術(shù)劃分為四部分：車輛研發(fā)階段的電池安全性及性能測試、電池下線檢測（End of Line，EOL）、動力電池服役期間的安全健康檢測以及電池回收檢測。

1.1 電池安全性及性能測試

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

動力電池電性能測試，主要是針對電池性能進(jìn)行評估，包括充放電倍率性能測試、高低溫充放電性能測試、電池能量轉(zhuǎn)換效率測試等。電性能測試覆蓋電池單體、模組及系統(tǒng)三個層級，且測試內(nèi)容、試驗方法和性能檢驗規(guī)則均有標(biāo)準(zhǔn)供參考。

電池安全性測試，主要是對電池的安全可靠性進(jìn)行檢測，測試項目包括振動、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)已針對電池系統(tǒng)的安全性檢測要求進(jìn)行擴(kuò)充修訂[4]。安全標(biāo)準(zhǔn)要求單體或電池系統(tǒng)在測試試驗后，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

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

1.3 電池服役期內(nèi)無損檢測技術(shù)

動力電池?zé)o損檢測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，對電池性能進(jìn)行測評。按照測試原理，可將電池?zé)o損檢測分為兩大類，基于物理射線或超聲波等的電池原位檢測方法和基于電池充放電激勵工況的電化學(xué)分析方法。無損檢測方法由于檢測設(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)計等。但無損檢測技術(shù)由于其不會對電池本體造成破壞的電池檢測友好性，具有很大的深入研究價值或工程應(yīng)用空間。

1.4 電池回收檢測技術(shù)

車載動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應(yīng)用，降級就是根據(jù)電池外觀、性能情況將電池進(jìn)行分選后，在低速電動車、儲能等場景中繼續(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試、可靠性測試、安全性測試和回收管理等多方面，涉及動力電池回收利用全部階段，可分為四個大的系列，即通用要求、梯次利用、再生利用和管理規(guī)范，共20項標(biāo)準(zhǔn)。截至2023年10月，已發(fā)布車載動力電池回收利用標(biāo)準(zhǔn)9項[7]。已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中對梯次利用和再生利用的具體檢測內(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損檢測技術(shù)方法比較分析

電池?zé)o損檢測方法可分為原位檢測分析方法和電化學(xué)分析方法兩類。再進(jìn)一步原位檢測分析方法按檢測設(shè)備激勵源不同還可分為X射線、中子散射、超聲波檢測、拉曼散射技術(shù)等無損檢測方法[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)地對各類電池?zé)o損檢測方法進(jìn)行介紹。

2.1 基于物理射線或超聲波的電池原位檢測方法

電池原位檢測，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，進(jìn)而識別電池的電極表面形態(tài)、枝晶形態(tài)結(jié)構(gòu)等，完成對電池狀態(tài)的評估分析。

2.1.1 計算機(jī)斷層掃描掃描檢測

CT技術(shù)，通過X射線的穿透和計算機(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)，可直觀的觀測出各部位存在的異常情況。葛春平等使用X射線檢測方形電池極耳區(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)域并利用空域濾波、形態(tài)學(xué)操作等對ROI圖像進(jìn)行處理，對電池正負(fù)極冗余度缺陷進(jìn)行識別，準(zhǔn)確率可達(dá)98.5%[11]。

2.1.2 中子散射掃描檢測

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)及其微觀動力學(xué)性質(zhì)[12]。Wang等采用中子掃描技術(shù)識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18650電池的存儲過程衰降機(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

拉曼散射檢測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，驗證了三種技術(shù)識別結(jié)果的一致性[16]。陳達(dá)等借助拉曼光譜分析方法，對電池?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，可有效得評估熱失控的危險性[17]。

2.1.4 超聲波檢測

電池超聲波檢測，即使用超聲波對電池進(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等利用超聲檢測方式建立了電池SOC聲學(xué)表征理論模型，并通過驗證試驗，證明了模型表征電池SOC狀態(tài)的準(zhǔn)確性[18]。此外超聲波檢測還可用于電池內(nèi)部產(chǎn)氣情況的識別，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方法，如核磁共振光譜、投射電子顯微鏡等檢測方法。原位分析方法設(shè)備成本、檢測條件等方面的限制，往往只能對電芯進(jìn)行分析，無法滿足電池系統(tǒng)層級的檢測需求。

2.2 基于充放電測試的電池電化學(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)變化等會引起電池的內(nèi)阻、電壓、容量等參數(shù)出現(xiàn)變化。通過識別上述電池電化學(xué)特征參數(shù)，反向推斷電池的內(nèi)部的微觀變化情況，實現(xiàn)對電池性能及健康狀態(tài)評估。

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。Yang等利用庫倫效率參數(shù)構(gòu)建了半經(jīng)驗?zāi)Ｐ头治鲭姵厝萘康耐嘶⒃O(shè)計了電池循環(huán)試驗，對算法精度進(jìn)行了驗證[20]。Adams等分析研究了影響電池庫倫效率測試的各種因素，提出精準(zhǔn)測量庫倫效率的方法，并可根據(jù)庫倫效率測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間變化曲線，識別異常或進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測。龔輝等利用弛豫電壓曲線斜率識別電池內(nèi)短路故障并建立了擬合模型，通過模擬實驗驗證了模型內(nèi)短路程度識別的準(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，測試結(jié)果表明利用電池弛豫電壓的估計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。通過阻抗分析可對電池老化析鋰問題進(jìn)行識別。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)識別了電池析鋰情況，通過與弛豫電壓分析法對比驗證了方法的可靠性[24]。

2.2.4 電化學(xué)阻抗譜分析法

電化學(xué)阻抗譜原理是在對電池加載不同頻率的小幅電壓正弦信號，電池響應(yīng)不同頻率的電流響應(yīng)信號，激勵電壓和響應(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)測電池健康狀態(tài)，估計準(zhǔn)確度超90%[26]。張闖等利用阻抗測量裝置，實現(xiàn)了基于動態(tài)阻抗特征的內(nèi)短路在線識別，并通過試驗證明了方法的有效性。

此外，同類方法還有容量增量分析法、動態(tài)放電檢測法、非線性頻率響應(yīng)法等等。上述，基于充放電測試的電池電化學(xué)分析方法雖然可實現(xiàn)電池的無損檢測分析，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)測精度；阻抗譜分析法，需要使用專業(yè)的阻抗測試儀，且目前主要分析對象是單體電芯，使用場景受限。要實現(xiàn)對車載環(huán)境下的動力電池系統(tǒng)檢測，還需要進(jìn)行大量的驗證分析工作，并結(jié)合實際檢測環(huán)境的設(shè)備、場地等限制條件對檢測方法進(jìn)行適應(yīng)調(diào)整及優(yōu)化，以滿足車載動力電池檢測應(yīng)用需求。

3結(jié)束語

本文針對新能源動力電池檢測技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，將電池檢測根據(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試、電池下線檢測（End of Line，EOL）、動力電池服役期間的安全健康檢測及電池回收檢測。同時重點針對動力電池?zé)o損檢測方法進(jìn)行了總結(jié)。對動力電池進(jìn)行全生命周期的狀態(tài)檢測，可有效的提升動力電池運行可靠性及安全性，對新能源汽車發(fā)展有很大促進(jìn)作用。構(gòu)建全生命周期的動力電池檢測體系，尤其針對在動力電池車載服役期間建立快速、便捷、準(zhǔn)確的評估評價方法，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。

基金項目：規(guī)模化電動汽車與電網(wǎng)互動關(guān)鍵技術(shù)研究與示范應(yīng)用（一期）（項目編號：090000KK52210132）。

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