导言
随着电动汽车销量的增加，更安全、性能更好、寿命更长的电池系统的市场肯定会越来越大！对于电池研究人员来说，电动汽车电池的每一次飞跃背后往往都是成千上万次的测试，以确保电池在行驶数十万或数百万英里的过程中不会丧失其保持能量的能力。下一代锂离子或固态电池系统也面临着同样严格的热学、电学、机械和化学测试，只有通过了这些测试，才能被认为可以安全上路--这与这些车辆曾经使用的旧世界铅酸电池不同。.
需要进一步开发电池测试技术，以进行性能评估并符合长期可靠性预测等安全标准。现在，汽车制造商正以前所未有的速度争先恐后地将电动汽车推向市场，电池验证已发展成为一门能够与时俱进的科学。.
电动汽车电池类型概述
引言 了解电动汽车中使用的各种电池对于制定合适的测试方法非常有用。不同的材料化学成分和结构在机械应力、充放电循环和不同环境条件下的表现各不相同。对于所有电池的耐久性、韧性、安全性和热稳定性，没有通用的方法，因为每种电池都有其独特的测试问题。.
锂离子电池（锂离子）
锂离子电池是当今电动汽车中最流行的电池形式，由于其能量密度高、自放电适中且具有良好的记录，因此成为首选。它们对过充、过热和机械磨损非常敏感，是热/电特性分析的理想选择。在这一类电池中，有几种化学物质：
- NMC（镍锰钴）：可用于乘用电动汽车；它在能量、寿命和成本之间提供了一种折中方案。.
- LFP（磷酸铁锂）：热稳定性好，循环寿命长，但能量密度较低。.
- NCA（镍钴铝）：这种材料用于高性能电动汽车，能量高，但需要较强的热保护。.
每种化学物质对快速充电、高负荷运行和深度放电的反应都不同，因此需要在特定条件下进行测试。.
固态电池
下一代电动汽车能源存储将采用固态电池。这些电池用固态材料取代了液态电解质，在安全性、能量密度和更快的充电时间方面具有优势。然而，它们尚未成熟上市，并面临特定的测试挑战，特别是在测试长期机械稳定性和界面电阻方面。.
其他化学电池（锂-S、镍氢电池）
锂硫（Li-S）电池和镍氢（NiMH）电池在目前的电动汽车中使用较少，尽管它们偶尔会出现在小众应用或混合动力汽车中。这些电池化学成分需要独特的测试协议，例如硫化锂电池中的硫迁移和镍氢电池中的氢演化。.
主要测试类别
性能测试
性能测试可测量电动汽车电池在行驶过程中和达到极限时释放能量的效率。它提供了重要的性能参数，如容量、功率、充放电效率和热稳定性--这些信息对制造商和用户都非常有益。.
容量和能量密度
性能测试的第一部分是确定电池在正常工作条件下可以提供的总能量。通常用安培小时（Ah）或瓦特小时表示。有几个因素会影响测试结果，如 C 率（充放电电流占容量的百分比）、环境温度和使用年限。.
典型测试：以不同的 C 率（1C、2C 等）对电池放电，以了解电池在满电时能提供多少能量的截止电压。.
输出功率和峰值负载能力
然后，分析电池的短期高功率能力（例如加速事件）。这对电机性能非常重要。.
动态测试：对电池施加快速负载变化，以表示加速和再生制动情况。.
充放电效率
电动汽车电池测试通常包括快速充放电，以评估往返效率和发热性能。在这种循环中出现的异常发热或电压波动可能意味着电池平衡或内阻不良。.
电压稳定性和内阻
在负载情况下，电压降是测量内阻和电池状态的主要指标。考虑不同水平的电压和电流之间的关系有助于预测电池的退化/老化。.
安全测试
安全是电动汽车电池设计和验证过程中的首要问题。单个电池故障可能会引起热失控的连锁反应，导致火灾、爆炸或有毒气体的形成。安全测试旨在复制可能发生的最坏情况，确保电池组能够控制、分离或减轻故障。.
过充电和过放电测试
过热和化学挥发会使电池过热，超过其电压限制。电池过度放电也会导致树枝状突起或电池反转，从而导致电池无法使用。.
测试方法： 故意对电池进行过充/过放，并对其进行监测，以观察温度上升、气体产生、膨胀或短路情况。.
热滥用测试
极端温度使细胞的稳定性和防御能力受到限制。.
热箱测试： 对电池施加越来越高的热量（例如高达 130°C），并监测起火、泄漏或排出气体的迹象。.
热冲击试验： 用于评估与室外/季节性暴露相同的温度骤变的影响。.
机械磨损测试
电池可能会在碰撞、跌落或挤压过程中受到物理冲击。.
挤压测试 用液压机压碎电池，以确定是否存在内部短路或热失控。.
指甲穿刺试验 将一根钢棒插入充满电的电池中，以评估内部损坏的反应。.
跌落测试： 电池从指定高度掉落到钢板上，如果是持续时间较长的单体电池，则掉落到混凝土上。.
短路测试
通过模拟内部或外部短路，可以确定保护系统（保险丝、电路）是否能够及时做出反应。.
外部短路： 电池的两极通过低电阻路径连接，并测量电流和温升。.
环境和压力测试
电动汽车电池在运行过程中会面临各种空气条件：极冷、高湿度、振动、灰尘和海拔变化。对电池进行环境和机械应力测试可确保其在这些条件下的性能和结构完整性。.
温湿度循环
将电池放入气候箱中，长期循环使用温度和湿度。这有助于检测
- 密封失效
- 湿气侵入
- 绝缘退化
- 电解质稳定性变化
例如 传统的协议包括在 -40°C 和 +85°C 之间循环使用 95% 湿度电池，以模拟极端的季节变化。.
高度和压力测试
海拔高度意味着气压较低，这会影响电池冷却和气体管理。这对山区或航空领域的电动汽车尤为重要。.
测试方法： 在低压室中对电池进行测试，看其是否在低气压下膨胀、排气或电解液逸出。.
振动和冲击测试
道路本身，尤其是商用或越野电动汽车，会使电池不断受到振动和机械冲击。.
一般振动 - 随机振动测试 实际使用跨轴（X、Y、Z）测试结构完整性。.
跌落和撞击测试模拟人体受到随意或意外的处理。.
适用标准： SAE J2380、IEC 60068
生命周期和降解测试
生命周期和降解测试显示的是电动汽车电池随着时间的推移而发生的变化，不仅仅是新电池，而是经过数百或数千次充放电循环后的电池。这种测试对于预测电池寿命、容量衰减以及最终的产品可靠性（这与保修条款和客户满意度息息相关）非常必要。.
周期寿命测试
这是最底层的长期评估。计算机电池在特定条件下进行充放电（如 25°C、1C 率），以测试数百至数千次循环的容量保持率。.
关键指标
X 个循环后剩余容量为 -%
- 内部阻力增长
- 库仑效率
目前，电动汽车的标准是循环 1,000-2,000 次，容量达到 80%。.
日历老化
由于化学性质不稳定和寄生反应，电池在闲置期间会继续退化。.
测试方法： 电池在不同的温度和充电状态（SOC）下长期循环（如 3、6、12 个月），然后进行容量损失测试。.
洞察力： 在许多情况下，即使不进行循环，也可能出现基于高温和高充电状态时间的老化。.
动态压力测试
一些更复杂的实验室会模拟真实世界的驾驶习惯，如改变 C 比率、再生制动、在走走停停的车流中行驶等，以测试电池在类似于公路上行驶的条件下的性能。.
这有助于预测在具有代表性的热和电条件下，城市和高速公路使用之间的降解行为。.
符合性测试（UN38. 3、IEC62660 等）
除了下文讨论的性能和安全性外，电动汽车电池在销售、运输或安装前还必须满足各种监管和运输标准。认证测试有助于确认电池系统符合当地和国际安全、运输和环境标准。.
联合国编号3 - 运输安全认证
锂电池空运、海运或陆运必须符合 UN38.3:1 标准。3:1 是联合国在全球范围内采用的标准。.
主要测试包括
- 高空模拟（低压暴露）
- 热测试（极端温度循环）
- 振动和冲击
- 外部短路
- 过充电和强制放电
通过 UN38.3 是锂电池商业运输的一项要求。.
IEC 62660 系列 - 电动汽车电池测试标准
电动汽车电池测试的新标准 IEC62660 来自 “第 21 小组委员会”--UL 2267--规定了电动汽车所用电池组和系统的测试和要求。.
该系列的这一部分规定了电动道路车辆锂离子牵引电池组和系统的测试方法。.
IEC 62660-1： 性能测试
IEC 62660-2： D 第一版：可靠性和滥用测试
IEC 62660-3： 电气安全和故障时的电压承受能力
原始设备制造商和第三方实验室通常使用这些标准对电动汽车电池模块进行鉴定。.
UL 标准，如UL 2580、UL 1973
这些产品主要用于北美地区，重点是防火、电气隔离和保护电路。.
UL 2580： 电动汽车电池组
UL 1973： 用于固定和有限移动应用
ISO 和 SAE 标准
ISO 12405-1： 电动汽车锂离子电池组--性能和安全要求1
SAE J2464： 汽车电池和蓄电池的滥用测试
高级实践方法
电动汽车技术在不断进步，用于开发和测试配套电池系统的方法也在不断改进。传统的充放电和滥用测试已无法满足新的要求。先进的电池测试采用先进的设备、智能数据分析和实时模拟，以提高准确性、缩短验证时间并确保大规模测试的安全性。.
高速充放电模拟
快速充电（直流快速充电）和再生制动在实际驾驶中很常见。先进的测试台用于模拟这些高速能量流，以进行测量。.
- 电池间电流平衡
- 快速充电时的热效应
- 控制器和 SOC 管理层的回应
该工具可检测 BMS 逻辑瓶颈和积极充电情况下的电池平衡。.
热失控传播测试
现在，先进的实验室不再简单地触发单电池故障，而是定期研究故障如何从一个电池跳到另一个电池。这对电池组的安全验证至关重要。.
- 文书包括 红外摄像机、热电偶阵列、,和 火焰/蒸汽传感器。.
- 测试经常在 密闭室以研究气体释放、火焰蔓延和压力波的产生。.
利用人工智能和机器学习预测健康测试
不过，一些实验室已经利用机器学习来预测 健康状态（SOH） 和 剩余使用寿命 (RUL) 以取代循环计数。.
- 根据历史测试数据（电压、温度、电流），模型学会对未来的性能下降进行分类。.
- 有助于最大限度地优化电动汽车车队的电池维修和更换计划。.
嵌入式传感器和实时监控
当代电动汽车电池包包含多个传感器，用于
- 细胞级电压和温度
- 电流
- 压力和气体检测
该传感器可在实验室和车辆环境中提供即时反馈，从而实现更快、更准确的诊断，并能进行重复测试。.
实验室设备和标准
汽车电池测试，尤其是电动汽车电池测试，需要先进的实验室基础设施，以满足对准确性、可重复性和安全性的要求。所使用设备的质量以及遵循公认国际标准的程度，对于确保测试结果的可靠性和符合监管规定至关重要。.
电池循环器
电池循环器是每个电池测试实验室的支柱，它以可编程的方式精确调节充放电模式。.
- 电流调节精度极高，可控制电流、电压和温度。.
- 支持多通道，可同时测试多个单元/模块
- 应用于性能、生命周期和降解测试
例如 来自 Arbin、MACCOR、Chroma 和 Bitrode 的系统
环境室
为了让实验室能够模拟真实世界中的温度和湿度条件，他们使用了可编程环境试验箱。.
- 温度范围-70°C 至 +180°C
- 湿度控制10%-98% rh
- 采用安全措施抑制热失控
- 经常与振动台一起用于组合环境测试
参考标准： IEC 60068、UN38.3、ISO 12405
DAQ 和监控系统
使用高速 DAQ 系统从单体电池和电池模块收集实时电压、电流、电阻和温度数据。.
- 支持多个热电偶和电压探头
- 实时监控功能，可自动触发警报。.
- 对预测性维护系统的 AI/ML 培训至关重要
安全柜和灭火系统
由于这种系统有可能导致热失控和火灾，因此电池测试实验室必须配备齐全：
- 防火电池柜
- 气体排放和抑制（即 CO₂ 或清洁剂系统）
特点 紧急关闭；带遥控器
标准合规工具
可追溯性和校准记录 为协助实验室完成前者的工作，实验室会经常保存可追溯性记录和（或）校准记录，有时会按照 ISO/IEC 17025 的要求保存，因为他们希望能够证明这一点：
- 测试再现性
- 监管合规性（如 UL、TUV、SGS）审计准备工作
- 合规性测试文件（例如 UN38.）
挑战与未来趋势
随着电动汽车电池技术的发展，此类引线的测试和验证变得越来越具有挑战性。新的化学成分、更快的充电要求和车载系统意味着如今需要更先进的测试策略。电池测试不再仅仅是证明电池容量的任务，而是预测未来，预防尚未发生的故障。.
开发固态电池和新一代电池测试仪
固态电池更密集、更安全，但也带来了新的挑战：
- 界面不稳定：固体电解质很容易出现微裂缝和树枝状生长，而传统方法很难识别这些现象。.
- 机械灵敏度在非常小的层系统中进行测试时，必须施加特别的压力。.
- 昂贵的制造成本：排除了在开发过程中进行大规模破坏性测试的可能性。.
可扩展性和自动化
随着越来越多的电动车型开始投放市场，制造商需要在不降低质量的前提下扩大测试能力。.
- 自动测试台可以减少手工操作，提高产量。.
- 基于云的测试数据存储 使世界各地的人们能够在同一地点协同工作和审查数据。.
- 数字双胞胎 越来越多的电池系统在实验前进行行为预测。.
人工智能驱动的诊断和预测性维护
人工智能和机器学习不再只是实验室研究的工具，它们正直接应用于生产环境。.
- 预测算法可以识别早期故障警告。.
- BMS 集成诊断在线监测健康状况（SOH）。.
- 这将使 维护即服务、,最大限度地降低电动汽车车队的运营成本和停机时间。.
监管追赶
测试协议和标准往往落后于快速发展的创新。例如
- 新的电池形式（如结构组、圆柱棱柱混合电池）可能不符合既定的测试协议。.
- 当地法律也可能有所不同，因此需要进行额外的国际认证测试。.
对于制造商来说，这是一个持续的过程，需要灵活应变，根据标准的变化随时修改测试计划。.
结论
在电动汽车改变驾驶世界的同时，还有一个王者尚未被颠覆：那就是老牌王者电池。但仅有高性能的电池是不够的，还必须经过测试、验证，并在大量的操作和滥用条件下建立起对电池的信任。为了提高性能和安全性、延长使用寿命/系统寿命以及符合法规要求，先进的电池测试标准必须验证以下几点 电动汽车电池 可靠、高效、安全。.
向固态化学物质、人工智能驱动的诊断和自动测试/自动化环境的过渡正在重新定义电池测试的极限。如果制造商和测试实验室能够领先于这些趋势，那么进入市场所需的时间就会大大缩短，消费者对电动汽车革命的信心也会增加。.
归根结底，电池测试已不再是一个开发步骤，而是产品完整性、风险管理和创新的基石。对于那些希望进行更明智投资的公司来说，合理、预测性和可扩展的电动汽车测试将是下一代的首要任务。.
