《無損檢測 動力電池健康狀態(tài)電化學(xué)阻抗譜檢測方法》

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

團體標準

T/CSTMXXXXX—202X

無損檢測

動力電池健康狀態(tài)電化學(xué)阻抗譜檢測方法

202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實施

中關(guān)村材料試驗技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTMXXXXX—2020

無損檢測動力電池健康狀態(tài)電化學(xué)阻抗譜檢測方法

1原理

2范圍

本標準規(guī)定了針對動力電池健康狀態(tài)的電化學(xué)阻抗譜檢測與評價方法。

本標準規(guī)定了適用于電池健康狀態(tài)的電化學(xué)阻抗譜檢測設(shè)備要求。

本標準適用于采用電化學(xué)阻抗譜對動力電池進行健康狀態(tài)快速評價。

3規(guī)范性引用文件

下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T38894-2020無損檢測電化學(xué)檢測總則

GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能及試驗方法

GB/T34015-2017車用電池回收利用余能檢測

GB/T16545-2015金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除

4術(shù)語和定義

GB/T10123—2001界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

電化學(xué)阻抗譜ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy（EIS）

給電化學(xué)（電池）系統(tǒng)施加一個頻率不同的小振幅的交流電激勵信號，測量交流電勢與響應(yīng)電流

信號的比值(此比值即為系統(tǒng)的阻抗)隨正弦波頻率ω的變化，或者是阻抗的相位角Φ隨ω的變化。

5設(shè)備要求

檢測系統(tǒng)由電化學(xué)檢測設(shè)備、夾持系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)組成。其中電化學(xué)檢測設(shè)備可以是

集成的成套設(shè)備也可以是分離的部件單元，但設(shè)備參數(shù)應(yīng)符合標準5.1要求。

5.1電化學(xué)檢測設(shè)備

5.1.1電化學(xué)檢測設(shè)備至少應(yīng)包括恒電位模塊、數(shù)字信號發(fā)生器、電流信號采集模塊、控制模塊、通信

模塊，以及相應(yīng)的存儲與記錄裝置等。

5.1.2電化學(xué)檢測裝置應(yīng)能滿足如下要求：

（1）阻抗頻率范圍包含104—10-2Hz；

（2）阻抗頻率分辨率不少于1mHz；

（3）阻抗最大交流電流振幅不少于10ARMS；

（4）阻抗測試精度不少于0.1%和0.1deg，取最二者最大值；

（5）電流量程不小于20A；

（6）電壓量程不小于10V。

5.2夾持系統(tǒng)

5.2.1夾持系統(tǒng)用于夾持被檢測電池，使得在檢測系統(tǒng)被檢測電池中的保持穩(wěn)定，不因物理結(jié)構(gòu)失穩(wěn)影

響檢測結(jié)果。

5.2.2夾持系統(tǒng)中與被檢測電池和電化學(xué)檢測設(shè)備相連接部件應(yīng)采用導(dǎo)體材料制作，導(dǎo)體材料在25±3℃

溫度下的電阻率不應(yīng)超過1.8×10-3Ω·m。

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5.2.3完成電池夾持后，檢測裝置至電池電極的物理電阻在25±3℃溫度下不應(yīng)超過5×10-4Ω。

5.3溫控系統(tǒng)

5.3.1溫控系統(tǒng)用于控制被檢測電池的環(huán)境溫度，以使檢測過程處于設(shè)定的環(huán)境溫度中進行。

5.3.2溫控系統(tǒng)須滿足電池標稱工作溫度上下限1.5倍，波動范圍不得大于±1℃。

5.3.3為保證溫控系統(tǒng)的可靠性，溫控系統(tǒng)在測試前應(yīng)進行設(shè)備精度計量。

5.4測溫系統(tǒng)

5.4.1測溫系統(tǒng)用于準確獲取檢測時的被檢測電池溫度，進而對檢測結(jié)果進行校正。

5.4.2測溫部件宜采用貴金屬電極或其他熱電偶制作，測溫精度不得大于±1℃。

6檢測系統(tǒng)

6.1檢測電路及其連接

6.1.1檢測電路主要由電化學(xué)檢測設(shè)備、夾持系統(tǒng)和被檢測電池組通過導(dǎo)線完成，用于電池健康狀態(tài)檢

測信號的發(fā)生和獲?。?/p>

6.1.2電化學(xué)檢測設(shè)備和夾持系統(tǒng)之間可采用符合GB/T21652-2017要求的純銅導(dǎo)線進行連接，銅導(dǎo)線

的截面積根據(jù)檢測設(shè)備的檢測電流上限確定，須滿足不少于5A每平方毫米的需求。

6.1.3夾持系統(tǒng)和被檢測電池之間的連接須采用夾持法以保持物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。針對帶螺紋的電池電極，

可采用旋接法夾持；針對光滑圓柱或圓盤形狀的電池電極，可采用擠壓法夾持；針對薄片形狀的電極，

可采用夾緊法夾持。

6.1.4檢測電路連接完成后，電化學(xué)檢測設(shè)備的正極和負極分別與被檢測電池的正極和負極相連。其連

接結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1電化學(xué)阻抗檢測電路連接結(jié)構(gòu)示意圖

6.2環(huán)境控制單元

6.2.1環(huán)境控制單元主要由溫控系統(tǒng)和測溫系統(tǒng)組成，主要作用是進行檢測過程中的被檢測電池溫度控

制和測量。

6.2.2當進行室溫檢測時，被檢測電池溫度可認為與環(huán)境溫度等同，測溫系統(tǒng)可以以測量獲得的環(huán)境溫

度為準。此時被檢測電池應(yīng)在開路狀態(tài)下置于室內(nèi)不低于8小時，以保證環(huán)境溫度與被檢測電池溫度一

致。

6.2.3當需要采用溫控單元進行環(huán)境溫度控制時，被檢測電池溫度應(yīng)由測溫系統(tǒng)直接測試電池本體溫

度。測試時應(yīng)將測溫部件緊貼于被檢測電池外表面以獲取溫度數(shù)值。

6.2.4在進行環(huán)境溫度控制時，為保證被檢測電池內(nèi)外溫度一致，檢測須在被檢測電池外部溫度達到設(shè)

定目標溫度6小時后進行，或者將被檢測電池提前放入已達到目標溫度的溫控系統(tǒng)的均溫區(qū)內(nèi)不少于8

小時。

7檢測步驟

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7.1檢測方法

采用交流阻抗譜法（EIS）進行檢測，主要步驟按照本節(jié)規(guī)定執(zhí)行。

7.2檢測前準備

7.2.1檢測前應(yīng)檢查被檢測電池電極的清潔度。為保證電接觸良好及測試的準確性，可在測試前對被檢

測電池電極的外表面進行快速清洗，具體清洗方法可參照GB/T16545-2015執(zhí)行。

7.2.2檢測前應(yīng)檢查被檢測電池的荷載狀態(tài)在標稱容量的10-90%之間。如果不滿足，可預(yù)先進行小幅

充放電，以符合檢測要求。

7.2.3連接檢測電路完成后，應(yīng)確定檢測電路為通路，并確定檢測電路中的各連接部位用手輕搖不脫落，

以保證電路具有較為良好的物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使檢測電路在檢測過程中不發(fā)生斷路。

7.2.4檢測過程中應(yīng)保持環(huán)境溫度恒定。

7.3電化學(xué)檢測

7.3.1記錄電池溫度和電池兩極電壓，待電壓穩(wěn)定后進行電化學(xué)阻抗譜測試。

7.3.2檢測頻率設(shè)定范圍一般為5×104—10-2Hz，5×104—5×10-2Hz，105—10-2Hz，105—5×10-3Hz等。

一般推薦選擇檢測頻率范圍為104—10-2Hz。

7.3.3正弦波擾動信號的可設(shè)定為電壓擾動或者電流擾動，電壓擾動振幅為一般為20mV，10mV、5mV、

1mV等。電流擾動一般選擇10A、1A和0.1A等，以可以對中頻區(qū)電氣元件進行有效區(qū)分為目標。

7.3.4對于未知體系的電池，推薦選擇檢測頻率范圍104—10-2Hz，正弦波擾動信號的選擇電流擾動，

擾動振幅最高為為10A。

8檢測結(jié)果評價

8.1結(jié)果有效性

8.1.1獲取的阻抗譜數(shù)據(jù)至少包括頻率（Freq，單位Hz）、實部阻抗（Z’，單位Ω）、虛部（Z’’，單位

Ω）三個參數(shù)；

8.1.2為保證獲取的阻抗譜數(shù)據(jù)有效且可被解析，其應(yīng)滿足以下要求：

（1）獲取的阻抗譜參數(shù)應(yīng)包括3或4個時間常數(shù)，從高頻區(qū)至低頻區(qū)的頻譜特征依次為感抗、容抗（電

容）、擴散或容抗。

（2）阻抗譜各特征頻率段曲線變化連續(xù)，在阻抗譜的Nyquist圖和Bode圖中的每個數(shù)值與前后兩相鄰

數(shù)值相比不出現(xiàn)跳躍性變化。

8.2等效電路擬合

8.2.1選擇合適的等效電路進行擬合，并通過專用軟件對其元件進行數(shù)值計算得到等效電路各元件值。

8.2.2被檢測電池的等效電路具有實際的物理意義，因此等效電路的建立須根據(jù)被檢測電池的實測阻抗

譜結(jié)果確定。

8.2.3要求按照等效電路擬合后與實測電路具有相同的時間常數(shù)特征，且擬合后的各元件數(shù)值與實測數(shù)

值差值不可超過100%。

8.2.4對于柱狀電池，推薦擬合電路為(LR)(QR)(C(QR))，其示意圖和各元件物理意義圖2所示，擬合

結(jié)果與實測結(jié)果的Nyquist圖對比如圖3所示

導(dǎo)線電感電極內(nèi)電阻電荷轉(zhuǎn)移電阻離子擴散介電行

為

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體系電阻SEI膜介電行為雙電層電容

圖2柱狀電池的電化學(xué)阻抗等效電路及各元件的物理意義

圖3柱狀電池的電化學(xué)阻抗譜實測數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)示意圖（擬合軟件Zsimpwin3.0）

表1圖3中電化學(xué)阻抗譜等效電路中的元件擬合結(jié)果與誤差

元件代號物理意義單位擬合結(jié)果相對誤差（%）

L1導(dǎo)線電感H4.84×10-72.42

R1體系電阻Ω0.218512.61

Q1SEI膜介電行為S0.165430.26

nSEI膜彌散系數(shù)無量綱0.267610.14

R2電極內(nèi)電阻Ω0.072741.072

Q2離子擴散介電行為S292.25.402

n離子擴散彌散系數(shù)無量綱0.63992.603

C1雙電層電容F0.308213.01

R3電荷轉(zhuǎn)移電阻Ω0.0046018.581

8.3檢測結(jié)果評價

8.2.1電池的健康狀態(tài)計算

以目標阻抗譜參數(shù)的衰減程度作為電池健康程度的判定指標，其結(jié)果計算公式1所示。

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式中為電池健康狀態(tài)，；???%為=目?×標阻抗譜參數(shù)在×電10池0壽命終結(jié)時刻的數(shù)值；為目標阻

SoH%MEOL?????MC

抗譜參數(shù)在當時的實測數(shù)值；MN為目標阻抗譜參數(shù)在電池初始的數(shù)值；δ為溫度校正系數(shù)。

8.2.2當公式1中MC=MN時，SoH認定為100%。

8.2.3對于未知體系電池的檢測結(jié)果，使用內(nèi)電阻作為目標阻抗譜參數(shù)。

8.2.4檢測結(jié)果分級

采用SoH數(shù)值作為評價指標，推薦評價結(jié)果數(shù)值如表2所示。

表2電池健康狀態(tài)評價推薦參考指標

評價分級SoH（%）電池健康狀態(tài)