HAWKER蓄电池电池快速检测方法

电池就像一个无法直接测量的生命体，只能通过类似医生检查病人那样的诊断来估算。快速检测的准确性会因症状而异。这些指标会随着荷电状态（SoC）、充放电后的扰动、温度以及存放时间而变化。快速检测必须具备区分部分充电的优质电池和完全充电的劣质电池组的能力。这两种情况在用户手中表现出的续航时间相似，但性能水平却不同。

一种广泛使用的性能分析方法是库仑计数法，该方法用于测量流入和流出的能量。库仑计数法可追溯至250年前，当时查尔斯-奥古斯丁·库仑首次确立了“库仑定律”。从概念上讲，库仑计数法十分精妙，但其自身也存在一个问题，即当电池进行随机充放电时，其准确性会降低。若不将化学电池纳入考量，仅通过数字解决方案进行健康状态（SoH）估算是不完整的。

电池的主要健康指标是容量。容量代表能量储存能力，这是一种会随着使用逐渐且永久衰退的特性。其他影响健康状态（SoH）的特性包括控制负载电流的内阻和自放电，后者用于评估机械完整性。必须满足这三个特性，才能判定电池健康状况良好。

实时估算化学电池的容量最为复杂。这涉及到算法和矩阵，它们充当类似于字母或人脸识别的查找表。现代快速测试方法正朝着先进的机器学习方向发展，以捕捉电池的多种状态。

以下是用于检查电池的从简单到复杂测试方法的总结。

快速检测方法

没有任何单一测试能够涵盖电池的所有健康指标。许多快速检测设备仅关注电压和内阻。虽然老化镍镉或镍氢电池的容量损失可能与内阻上升相关，但这种关联在锂基和铅基电池中并不明显。仅通过测量电压和内阻来估算容量的检测器可能会产生误导，它会让行业误以为用简单的方法就能获得复杂的结果。基于内阻的仪器确实能识别出即将失效或已失效的电池；但用户也能做到这一点。

A battery is a reactive device and the method by which resistance measurements are taken matters. A DC measurement looks at pure resistive values while AC includes reactive components that provide additional information. Figure 1 represents the impedance of a good and faded Li-ion battery when scanned with AC from 0.1Hz to 1kHz. The strongest variances in impedance (-Imp -Z) are observed on the low frequency scale ranging between 1Hz and 10Hz.

阻抗差异在10Hz以下最为明显。水平轴采用对数刻度，以压缩频率范围。
来源：Cadex Electronics
值得注意的是，仅凭电阻读数无法得出结论。没有放之四海而皆准的标准，电池的特征会因尺寸和类型而异。此外，荷电状态（SoC）、振动和温度也会进一步影响结果。Cadex实验室还发现，电池的老化方式存在差异。最令人困惑的是，自然老化产生的特征为何与在环境试验箱中通过固定测试程序进行的人工老化产生的特征不同。这种类似人类的行为与人们在不同全球地区生活时的寿命情况有相似之处。

Cadex 在几种快速测试方法上处于领先地位。这些方法包括快速排序模型特定、电化学动态响应和电化学阻抗谱（EIS）.

快速排序模型特定（QSMS）

QSMS在使用直流法和交流法评估电池时，观察到电阻值存在差异。例如，18650电池中锂离子的电阻在直流测量时约为110毫欧，而在1000Hz交流信号下约为36毫欧。将这两种读数的差异与存储在查找表中的电池特定参数进行比较，可以提供性能信息。

该算法相对简单，测试时间较短，但创建优良、临界和劣质电池衍生参数的物流过程增加了复杂性。QSMS 是 Cadex 开发的多种快速测试方法之一，用于实时对手机电池进行分类。

电化学动态响应 (EDR)

EDR 通过施加载脉冲并评估充放电响应时间，来测量电极间离子流的流动性。恢复时间将与存储的与电池性能相关的参数进行比较。图2展示了良好的电池（坚固且恢复迅速）与劣质电池（松软且恢复迟缓）的对比。

EDR测量正负极板之间的离子流动。性能良好的电池能迅速从冲击中恢复，而性能较弱的电池则恢复较慢。
美国专利7,622,929。来源：Cadex Electronics

锂离子的扩散系数因所使用的活性材料和电解液添加剂而异。EDR由Cadex开发，用于快速测试各种手机电池。该技术目前正在开发中，以测试更大容量的电池。

电化学阻抗谱（EIS）

EIS通过使用多个频率扫描电池生成奈奎斯特图，将快速测试提升到了更高的复杂度水平。随后，奈奎斯特信息会被叠加到电化学模型上，从而实现对容量、CCA和SoC的无创估算。典型的测试时间为15秒。

奈奎斯特图是以哈里·奈奎斯特（1889–1976）命名的，他曾是贝尔实验室的工程师。该图通过使用频率作为参数，在单个图中同时显示幅度和相位角，来呈现线性系统的频率响应。水平x轴显示实部阻抗，垂直y轴表示虚部阻抗。科学家预测，通过将测试结果与复杂建模相结合，电池诊断正逐渐转向EIS技术。

图3展示了Nyquist图中高频端的迁移域，中频段的电荷转移以及扩散在低频尺度上。

中频半圆最能代表电池特性。大容量电池需要更低的频率。
来源：Cadex

当从千赫兹扫描到毫赫兹的电池时，迁移场会揭示电池的电阻特性，这代表了对电池状况的鸟瞰图。有价值的特性存在于被称为电荷转移的中频范围内。这个至关重要的领域形成一个半圆，代表电池的动力学特性，从而提供健康状态（SoH）的参考。被称为扩散的低频范围包含与容量相关的信息，但这需要较长的测试时间。电池容量决定了频率；电池的安时数越大，所施加的频率就越低。

快速测试通常持续几秒到不超过5分钟，但应用超低频会延长测试时间。例如，在1毫赫兹（mHz）下，一个周期需要1000秒，即16分钟，且完成分析需要多个数据点。通过巧妙的软件模拟通常可以缩短测试时间。

Nyquist分析非常适合用于测试锂基和铅基电池。多性向电化学阻抗谱，即Cadex公司的Spectro™，是首款基于EIS估算电池容量的应用。容量是衡量电池健康状况的主要指标；起动电池的CCA（冷起动电流）指的是负责发动机起动的电池内部电阻。在维护良好的电池中，CCA会保持在较高水平，而容量则会随着使用逐渐下降。当容量降至无法起动发动机所需的水平以下时，就会发生“无法起动”的情况。为了避免意外，当容量降至40%时，应更换起动电池。在这一应用中，容量估算的优势也显而易见。

电池解析器

术语“解析器”在计算机技术中用于描述接收和分类指令数据。Cadex使用该术语通过专有算法（专利申请中）确定精确的荷电状态（SoC），进而计算填满电池可用空间所需的库仑数，以此定义电池容量。充电时间必须足够长以获得良好的读数。Cadex实验室结果显示，与智能电池未经校准的库仑计数相比，电池解析器的容量精度更高。

电池解析器采用先进的机器学习算法，这些算法将被引入现代电池充电器，以实现电池的质量控制。这种集成将使充电器升级为一种无需额外物流且成本低廉的监控系统。诊断型充电器通过消除“黑箱”现象，使电池性能变得透明，这一问题困扰了电池用户数百年之久。

摘要

没有任何快速测试能够评估电池的所有症状。总会有一些异常情况违背测试协议。对于在用电池，正确的预测率应达到十分之九。异常情况可能包括新电池尚未完全完成格式化，或长期存放的电池组。低荷电状态也会导致误差。

容量是电池健康状况的守门人，它与运行时间相关，并能预测电池寿命终结。容量这一术语常被误解。通常当电池容量衰减至80%时，就会被更换。在设定寿命终结阈值时，组织应确保性能最差的电池仍能完成指定任务。通过快速测试或充电器进行的容量估算将改变电池的维护方式。这些进步最终将引发电池领域的工业革命。