《无损检测 动力电池健康状态电化学阻抗谱检测方法》

ICSXX.XXX.XX

CCSXXXX

团体标准

T/CSTMXXXXX—202X

无损检测

动力电池健康状态电化学阻抗谱检测方法

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中关村材料试验技术联盟发布

T/CSTMXXXXX—2020

无损检测动力电池健康状态电化学阻抗谱检测方法

1原理

2范围

本标准规定了针对动力电池健康状态的电化学阻抗谱检测与评价方法。

本标准规定了适用于电池健康状态的电化学阻抗谱检测设备要求。

本标准适用于采用电化学阻抗谱对动力电池进行健康状态快速评价。

3规范性引用文件

下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

GB/T38894-2020无损检测电化学检测总则

GB/T31486-2015电动汽车用动力蓄电池电性能及试验方法

GB/T34015-2017车用电池回收利用余能检测

GB/T16545-2015金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除

4术语和定义

GB/T10123—2001界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

电化学阻抗谱ElectrochemicalImpedanceSpectroscopy（EIS）

给电化学（电池）系统施加一个频率不同的小振幅的交流电激励信号，测量交流电势与响应电流

信号的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角Φ随ω的变化。

5设备要求

检测系统由电化学检测设备、夹持系统、温控系统和测温系统组成。其中电化学检测设备可以是

集成的成套设备也可以是分离的部件单元，但设备参数应符合标准5.1要求。

5.1电化学检测设备

5.1.1电化学检测设备至少应包括恒电位模块、数字信号发生器、电流信号采集模块、控制模块、通信

模块，以及相应的存储与记录装置等。

5.1.2电化学检测装置应能满足如下要求：

（1）阻抗频率范围包含104—10-2Hz；

（2）阻抗频率分辨率不少于1mHz；

（3）阻抗最大交流电流振幅不少于10ARMS；

（4）阻抗测试精度不少于0.1%和0.1deg，取最二者最大值；

（5）电流量程不小于20A；

（6）电压量程不小于10V。

5.2夹持系统

5.2.1夹持系统用于夹持被检测电池，使得在检测系统被检测电池中的保持稳定，不因物理结构失稳影

响检测结果。

5.2.2夹持系统中与被检测电池和电化学检测设备相连接部件应采用导体材料制作，导体材料在25±3℃

温度下的电阻率不应超过1.8×10-3Ω·m。

1

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5.2.3完成电池夹持后，检测装置至电池电极的物理电阻在25±3℃温度下不应超过5×10-4Ω。

5.3温控系统

5.3.1温控系统用于控制被检测电池的环境温度，以使检测过程处于设定的环境温度中进行。

5.3.2温控系统须满足电池标称工作温度上下限1.5倍，波动范围不得大于±1℃。

5.3.3为保证温控系统的可靠性，温控系统在测试前应进行设备精度计量。

5.4测温系统

5.4.1测温系统用于准确获取检测时的被检测电池温度，进而对检测结果进行校正。

5.4.2测温部件宜采用贵金属电极或其他热电偶制作，测温精度不得大于±1℃。

6检测系统

6.1检测电路及其连接

6.1.1检测电路主要由电化学检测设备、夹持系统和被检测电池组通过导线完成，用于电池健康状态检

测信号的发生和获取；

6.1.2电化学检测设备和夹持系统之间可采用符合GB/T21652-2017要求的纯铜导线进行连接，铜导线

的截面积根据检测设备的检测电流上限确定，须满足不少于5A每平方毫米的需求。

6.1.3夹持系统和被检测电池之间的连接须采用夹持法以保持物理结构稳定。针对带螺纹的电池电极，

可采用旋接法夹持；针对光滑圆柱或圆盘形状的电池电极，可采用挤压法夹持；针对薄片形状的电极，

可采用夹紧法夹持。

6.1.4检测电路连接完成后，电化学检测设备的正极和负极分别与被检测电池的正极和负极相连。其连

接结构如图1所示。

图1电化学阻抗检测电路连接结构示意图

6.2环境控制单元

6.2.1环境控制单元主要由温控系统和测温系统组成，主要作用是进行检测过程中的被检测电池温度控

制和测量。

6.2.2当进行室温检测时，被检测电池温度可认为与环境温度等同，测温系统可以以测量获得的环境温

度为准。此时被检测电池应在开路状态下置于室内不低于8小时，以保证环境温度与被检测电池温度一

致。

6.2.3当需要采用温控单元进行环境温度控制时，被检测电池温度应由测温系统直接测试电池本体温

度。测试时应将测温部件紧贴于被检测电池外表面以获取温度数值。

6.2.4在进行环境温度控制时，为保证被检测电池内外温度一致，检测须在被检测电池外部温度达到设

定目标温度6小时后进行，或者将被检测电池提前放入已达到目标温度的温控系统的均温区内不少于8

小时。

7检测步骤

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7.1检测方法

采用交流阻抗谱法（EIS）进行检测，主要步骤按照本节规定执行。

7.2检测前准备

7.2.1检测前应检查被检测电池电极的清洁度。为保证电接触良好及测试的准确性，可在测试前对被检

测电池电极的外表面进行快速清洗，具体清洗方法可参照GB/T16545-2015执行。

7.2.2检测前应检查被检测电池的荷载状态在标称容量的10-90%之间。如果不满足，可预先进行小幅

充放电，以符合检测要求。

7.2.3连接检测电路完成后，应确定检测电路为通路，并确定检测电路中的各连接部位用手轻摇不脱落，

以保证电路具有较为良好的物理结构稳定性，使检测电路在检测过程中不发生断路。

7.2.4检测过程中应保持环境温度恒定。

7.3电化学检测

7.3.1记录电池温度和电池两极电压，待电压稳定后进行电化学阻抗谱测试。

7.3.2检测频率设定范围一般为5×104—10-2Hz，5×104—5×10-2Hz，105—10-2Hz，105—5×10-3Hz等。

一般推荐选择检测频率范围为104—10-2Hz。

7.3.3正弦波扰动信号的可设定为电压扰动或者电流扰动，电压扰动振幅为一般为20mV，10mV、5mV、

1mV等。电流扰动一般选择10A、1A和0.1A等，以可以对中频区电气元件进行有效区分为目标。

7.3.4对于未知体系的电池，推荐选择检测频率范围104—10-2Hz，正弦波扰动信号的选择电流扰动，

扰动振幅最高为为10A。

8检测结果评价

8.1结果有效性

8.1.1获取的阻抗谱数据至少包括频率（Freq，单位Hz）、实部阻抗（Z’，单位Ω）、虚部（Z’’，单位

Ω）三个参数；

8.1.2为保证获取的阻抗谱数据有效且可被解析，其应满足以下要求：

（1）获取的阻抗谱参数应包括3或4个时间常数，从高频区至低频区的频谱特征依次为感抗、容抗（电

容）、扩散或容抗。

（2）阻抗谱各特征频率段曲线变化连续，在阻抗谱的Nyquist图和Bode图中的每个数值与前后两相邻

数值相比不出现跳跃性变化。

8.2等效电路拟合

8.2.1选择合适的等效电路进行拟合，并通过专用软件对其元件进行数值计算得到等效电路各元件值。

8.2.2被检测电池的等效电路具有实际的物理意义，因此等效电路的建立须根据被检测电池的实测阻抗

谱结果确定。

8.2.3要求按照等效电路拟合后与实测电路具有相同的时间常数特征，且拟合后的各元件数值与实测数

值差值不可超过100%。

8.2.4对于柱状电池，推荐拟合电路为(LR)(QR)(C(QR))，其示意图和各元件物理意义图2所示，拟合

结果与实测结果的Nyquist图对比如图3所示

导线电感电极内电阻电荷转移电阻离子扩散介电行

为

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体系电阻SEI膜介电行为双电层电容

图2柱状电池的电化学阻抗等效电路及各元件的物理意义

图3柱状电池的电化学阻抗谱实测数据与拟合数据示意图（拟合软件Zsimpwin3.0）

表1图3中电化学阻抗谱等效电路中的元件拟合结果与误差

元件代号物理意义单位拟合结果相对误差（%）

L1导线电感H4.84×10-72.42

R1体系电阻Ω0.218512.61

Q1SEI膜介电行为S0.165430.26

nSEI膜弥散系数无量纲0.267610.14

R2电极内电阻Ω0.072741.072

Q2离子扩散介电行为S292.25.402

n离子扩散弥散系数无量纲0.63992.603

C1双电层电容F0.308213.01

R3电荷转移电阻Ω0.0046018.581

8.3检测结果评价

8.2.1电池的健康状态计算

以目标阻抗谱参数的衰减程度作为电池健康程度的判定指标，其结果计算公式1所示。

4

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�𝐸�−��

式中为电池健康状态，；���%为=目�×标阻抗谱参数在×电10池0寿命终结时刻的数值；为目标阻

SoH%MEOL��−��MC

抗谱参数在当时的实测数值；MN为目标阻抗谱参数在电池初始的数值；δ为温度校正系数。

8.2.2当公式1中MC=MN时，SoH认定为100%。

8.2.3对于未知体系电池的检测结果，使用内电阻作为目标阻抗谱参数。

8.2.4检测结果分级

采用SoH数值作为评价指标，推荐评价结果数值如表2所示。

表2电池健康状态评价推荐参考指标

评价分级SoH（%）电池健康状态