鋰離子電池的阻抗測量
根據電池內部電阻值變化，電池特性也會發生較大變化。內部電阻越高內部能量損耗越大，電池性能會變差。同時，使用中電池的發熱也會變大，其特性與電池峰值性能變差的原因緊密相關。一般認為內部電阻越小電池特性越好。電池的內部電阻值被廣泛用作判定電池特性的指標。
電池內部的電阻測量，有交流法和直流法兩種。
直流法，是將電池以一定的電流進行放電，透過放電的電流值和特定時間內電壓下降的程度，計算出內部電阻的方式。主要用於類比實際工作狀態的大電流特性檢測。
直流法，是將電池以一定的電流進行放電，透過放電的電流值和特定時間內電壓下降的程度，計算出內部電阻的方式。主要用於類比實際工作狀態的大電流特性檢測。
而使用交流法測量內部電阻時，會對電池施加一個微小的交流信號，將電池的電阻成分和電抗成分分離開再進行測量。因測量儀體積小，測試重複性好，又能在短時間內完成測量，使用交流法的內部電阻測試方式被廣泛運用於鋰離子電池之類的二次電池的性能和品質評估上。又因為直流法會對電池進行放電，測量中電池充電率會發生變化。為了避免發生這種問題，選擇交流法更好。
依照慣例，直流法測量的電阻值稱作 DC-IR，交流法測量的電阻值稱作 AC-IR⁹。而且交流法的內部電阻測量方式通常會被稱作“阻抗測量”，下文也會使用這個叫法。
需要注意的是，通常電阻測量使用的電阻計，或者說阻抗測量使用的阻抗測試儀(LCR測試儀)，是無法測量電池的(圖26)。為了和普通的LCR測試儀作區分，我們將可以對電池進行測量的LCR測試儀稱作電池測試儀。電池測試儀一般可以測量阻抗和電池電壓。
圖 26使用電池測試儀(交流電阻計)進行電池內部電阻測量
一般檢查線上的出貨檢查和驗收檢查，是在指定頻率下(大多為 1kHz)進行阻抗測試的。將電阻和感抗成分分離，只對電阻成分的有效電阻值進行顯示。因為可在短時間內完成檢測，所以特別適用於量產的檢查和驗收檢查。
在與可擕式測量儀的鋰離子二次電池相關的 JIS C8711:2013 規定中，將 1kHz 的阻抗測量法，記載為 “電池組的交流內部電阻測量法”。而IEC61960-3:2017規定沿用了相關內容5)。規格內容如下框所示。
⁹IR: InternalResistance(內部電阻)
使用頻率1.0±0.1kHz的交流電流𝐼𝐼𝑎𝑎對電池組通電1～5 秒，測量交流電壓
𝑈𝑎。與通電的觸點不同，電壓測量均在其他電池端子進行。
電池組的交流內部電阻𝑅𝑎c按以下公式求得。
其中
𝑅𝑎c：交流內部電阻[Ω]
𝑈𝑎：交流有效電壓[V]
𝐼𝐼𝑎𝑎：交流有效電流[A]
注意1 使用交流電流測量的情況下，疊加的交流電壓峰值不超過20mV。
注意2 這個方法通常用於特定頻率下，測量大約等於電阻的阻抗。
不只單一頻率，對阻抗進行掃頻的測量方法也很常用。測量結果一般會用科爾科爾圖 (圖 27)表示。
由於頻率頻寬不同，影響阻抗的物理現象也不同。比如高頻(～1kHz)情況下電解液中鋰離子的移動，低頻(<1Hz)情況下鋰離子在電極內的擴散，中頻(1Hz～數百 Hz)情況下的電荷交換反應，這些物理現象會影響阻抗。也就是說，對科爾科爾圖作詳細分析可以分別評估電池的各部分發生的現象。最具代表性的分析手法，即使用如圖 28所示的等價回路模型進行等價回路分析⁶)。電池內部的每個現象都對應了等價回路中的某個要素。解析後獲得的各要素值，可以用來表示該要素代表的物理現象的特性。
圖 27 鋰離子電池的科爾圖示例
圖 28 電池的等價回路示例
HIOKI根據電池電壓和測量頻率範圍不同，提供各種電池阻抗測試儀。在這裡介紹一下選擇測試儀和測試方法的要點。特別是大容量的且內部阻抗極小的，在1mΩ以下的鋰離子電池，對其進行正確的測量並不簡單。因此必須要注意測量設備的選擇和測量的方法。
(1) 測量方式
低阻抗的測量一般不使用 2 端子法而是使用 4 端子法進行測量。因為 4 端子法可以不受測量探頭的配線電阻和接觸電阻的影響，進行正確穩定的測量¹⁰。
低阻抗的測量一般不使用 2 端子法而是使用 4 端子法進行測量。因為 4 端子法可以不受測量探頭的配線電阻和接觸電阻的影響，進行正確穩定的測量¹⁰。
(2) 感應磁場的影響
由於外施了電流，周圍的金屬中產生了渦電流，從而產生了感應磁場。這個感應磁場如果進到了電壓測試線圍成的回路內就會導致測量誤差，因此需要特別注意(圖29)。像這種現象不會發生在直流測量中，是交流測量中特有的現象。
例如EV 用的大型電池，因為電池尺寸很大，電極間的距離也就很長。因此電壓測試線圍成的回路的面積也就更大了。在測量這種電池時，流過電池金屬部的測量電流會產生感應磁場，從而導致測量誤差。
為了減少感應磁場的影響，可以考慮以下對策。
由於外施了電流，周圍的金屬中產生了渦電流，從而產生了感應磁場。這個感應磁場如果進到了電壓測試線圍成的回路內就會導致測量誤差，因此需要特別注意(圖29)。像這種現象不會發生在直流測量中，是交流測量中特有的現象。
例如EV 用的大型電池，因為電池尺寸很大，電極間的距離也就很長。因此電壓測試線圍成的回路的面積也就更大了。在測量這種電池時，流過電池金屬部的測量電流會產生感應磁場，從而導致測量誤差。
為了減少感應磁場的影響，可以考慮以下對策。
a.將測試線互相纏繞
將電流測試線，電壓測試線各自進行纏繞，盡可能多的相互纏繞測試線是一種有效的方法。電流測試線相互纏繞後，電流產生的磁場會被抵消，向外部漏出的磁場會變小。電壓測試線相互纏繞後，磁場能夠影響的面積就變小了。而且，渦電流和外部磁場的影響也會減輕。
b.將測試線和電池遠離金屬物
增大電流和金屬間的距離，能夠減輕其對感應磁場的影響。注意盡可能的與測試設備的金屬，測試設備放置的桌面的金屬部分留出足夠的距離。
增大電流和金屬間的距離，能夠減輕其對感應磁場的影響。注意盡可能的與測試設備的金屬，測試設備放置的桌面的金屬部分留出足夠的距離。
c.採用4端子對法
選擇4端子對法(不是 4端子法)的測量設備也是一種有效的方法 (圖 30)。4端子對法是在測量電流的遮罩層部分，反向流過一個同等大小的電流。這樣電流產生的磁場幾乎不會向外洩漏，影響自然也就變得最小了。
選擇4端子對法(不是 4端子法)的測量設備也是一種有效的方法 (圖 30)。4端子對法是在測量電流的遮罩層部分，反向流過一個同等大小的電流。這樣電流產生的磁場幾乎不會向外洩漏，影響自然也就變得最小了。
¹⁰4端子法請參照 3.-1。
圖 294端子法
圖 304端子對法
d. 測量頻率的變更
降低測量頻率也是有效的方法。如之前所說的，現在一般的阻抗測試使用的是1kHz。頻率越高渦電流對測量產生的影響越大，在1kHz的測量頻率下也會產生不小的影響。比如頻率在100Hz時，渦電流影響量會明顯變小。但頻率變低會使間隔時間變長，所以需要兼顧兩者關係來決定頻率值的選擇。
降低測量頻率也是有效的方法。如之前所說的，現在一般的阻抗測試使用的是1kHz。頻率越高渦電流對測量產生的影響越大，在1kHz的測量頻率下也會產生不小的影響。比如頻率在100Hz時，渦電流影響量會明顯變小。但頻率變低會使間隔時間變長，所以需要兼顧兩者關係來決定頻率值的選擇。
(3) 施加電流值
測量時，需要根據電池的阻抗值決定施加的電流值。電池阻抗越低，越是需要施加大電流，這樣才能穩定地測量。但是由於電池的 I-V 特性不是線性的 (圖 31)大電流外施過度了會導致明顯的非線性曲線。而通常來說，電池兩端產生的交流電壓振幅，需要控制在線性範圍內 (圖 32)。
測量時，需要根據電池的阻抗值決定施加的電流值。電池阻抗越低，越是需要施加大電流，這樣才能穩定地測量。但是由於電池的 I-V 特性不是線性的 (圖 31)大電流外施過度了會導致明顯的非線性曲線。而通常來說，電池兩端產生的交流電壓振幅，需要控制在線性範圍內 (圖 32)。
一般來說，在電化學系統中測交流阻抗時，施加的交流電壓一般得控制在 20mVp-p以內。也就是說，電池阻抗在 1mΩ的情況下，施加的電流最大為7 A rms左右(式(5))。在實際探討需要施加多少電流時，電池電壓變動在5-10mVp-p左右的電流值為最合適的範圍，若測量值的S/N比變差就提高電流值以作調試。而S/N值若在允許範圍內，電流值小一點也沒有問題。
圖 31測量電流過大的情況下檢出電壓失真
圖32測量電流合適的情況下的檢出電壓
(4) 測量頻率與最大輸入電壓
關於阻抗測量設備，根據 JIS C 8711 規定的記載，有 1kHz單一頻率專用的設備，也有搭載了掃頻功能的設備。後者多用於科爾科爾圖和等價回路分析等電池詳細特性的評估上。想要進行掃頻測量時，由於電池種類不同其頻率特性也不同，所以必須選擇測量頻率頻寬能夠滿足要求的測量設備。在測量低頻阻抗時，電池會因為測量電流發生充放電行為。而測量開始與停止時間如果沒有設定好，就會使測量前後的電池的充電率發生改變。為了避免這種情況，就需要測量儀有測量信號的零位元交叉停止功能(圖 33)。
關於阻抗測量設備，根據 JIS C 8711 規定的記載，有 1kHz單一頻率專用的設備，也有搭載了掃頻功能的設備。後者多用於科爾科爾圖和等價回路分析等電池詳細特性的評估上。想要進行掃頻測量時，由於電池種類不同其頻率特性也不同，所以必須選擇測量頻率頻寬能夠滿足要求的測量設備。在測量低頻阻抗時，電池會因為測量電流發生充放電行為。而測量開始與停止時間如果沒有設定好，就會使測量前後的電池的充電率發生改變。為了避免這種情況，就需要測量儀有測量信號的零位元交叉停止功能(圖 33)。
需要根據電池的電壓情況選擇合適的測量設備。測量設備的最大輸入電壓在檢測電池單體時約為 5V， EV用電池組的檢測約約1000V。必須注意輸入電壓的額定值。
圖 33 測量信號的零位元交叉停止功能
(5) 與電池端子的接觸
做低阻抗測量時，需要注意測量端子的接觸方法。
4端子法和4端子對法的情況下，分別有施加了測量電流的電流端子和測量壓降的電壓端子。電流端子的電位梯度很陡，電壓端子測量的位置如果不當測量值的變動會很大。因此，為了保證測量的重複性，以下4點很重要 (圖 34,圖 35, 圖 36)。
• 電壓端子和電流端子要分開一定距離
• 測量時要確保這個距離
• 測量對象和表筆保證有且只有一點接觸點
• 每次測量同一個接觸點
• 測量時要確保這個距離
• 測量對象和表筆保證有且只有一點接觸點
• 每次測量同一個接觸點
圖 34多點接觸的影響
圖35再現性良好的接觸方法
圖 36電流端子和電壓端子接觸位置的影響
(6) 電池測試儀器的選擇
基於以上內容，總結一下選擇HIOKI提供的電池測試儀的注意點。
基於以上內容，總結一下選擇HIOKI提供的電池測試儀的注意點。
・測量頻率
・1 kHz 單一頻率專用： 3561、BT3562、BT3563、BT3564、BT3554
・掃頻可能： BT4560 (0.1 Hz - 1050 Hz※) 、IM3590 (0.001 Hz - 200 kHz)
※ 特注可擴大至0.01 Hz - 1050 Hz
檢查線的出貨檢查和驗收檢查通常用固定頻率檢查電池的內部電阻，所以一般會使用 1 kHz 單一頻率的測試儀。因此建議根據輸入電壓和阻抗範圍選擇合適的測試儀。
如果要更詳細地評估電池內部的特性，就需要使用掃頻測試儀。想要更寬的測量頻率範圍，可以選用 IM3590，需要邊掃頻邊高精度的測量阻抗時，可以選擇 BT4560. (圖 37)。
・能夠測量的阻抗範圍
0.1μΩ-100mΩ：BT4560※
0.1 μΩ - 3000Ω：BT3562、BT3563、BT3564
1μΩ-3Ω：BT3554
10μΩ-3Ω：3561
10mΩ-10Ω：IM3590
※特助可擴大至 3Ω
0.1μΩ-100mΩ：BT4560※
0.1 μΩ - 3000Ω：BT3562、BT3563、BT3564
1μΩ-3Ω：BT3554
10μΩ-3Ω：3561
10mΩ-10Ω：IM3590
※特助可擴大至 3Ω
一般來說，電池尺寸越大內部電阻值就越低。如車載用大型電池的內部電阻可能會小於 1mΩ，因此推薦選擇能夠正確測試低電阻的BT4560和BT3562。
・其他
需要攜帶測試儀的情況下推薦可擕式的 BT3554(圖38)。
除 BT3554 以外，所有電池測試儀都可以透過使用 SW100x 系列進行多通道測量。非常適合需要測量數個電池內部電阻的情況。
需要攜帶測試儀的情況下推薦可擕式的 BT3554(圖38)。
除 BT3554 以外，所有電池測試儀都可以透過使用 SW100x 系列進行多通道測量。非常適合需要測量數個電池內部電阻的情況。
圖 37 電池阻抗測試儀BT4560和電化學阻抗分析儀IM3590
圖 38 電池測試儀BT3554
參考文獻
1) E.Ligneel,B.Lestriez,O.Richard,D.Guyomard,J.Phys.Chem.Solids,67,1275 (2006)
2) T.J.Patey,A.Hintennach,F.LaMantia,P.Novák,J.PowerSources,189,590 (2009)
3) C.-C.Li,Y.-S.Lin,J.PowerSources,220,413 (2012)
4) 日置電機株式会社、絶縁抵抗測定の手引き (2018)
5) JISC8711:2013ポータブル機器用リチウム二次電池
IEC 61960-3:2017Secondary cells and batteriescontaining alkaline or other non-acid electrolytes-Secondarylithiumcellsandbatteriesforportableapplications-Part3:Prismatic and cylindrical lithium secondary cells and batteries made from them
6) 小山 昇(監修)、リチウムイオン二次電池の性能評価、日刊工業新聞社 (2019)
7)ECE/TRANS/WP.29/GRPE/2016/3,ProposalforamendmentstoglobaltechnicalregulationNo.15 on Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure (WLTP)
8) 日置電機株式会社、抵抗測定の手引き Vol.1 (2017)
HIOKI的簡介
關於HIOKI
日置電機株式會社(HIOKI)是創立於1935年的電氣測量儀器廠商，位於日本長野縣上田市，集研究開發•生產•維護服務功能於一身，可提供高品質的測量儀器及各種具體服務。以記錄儀•電子測量儀•現場測量儀•自動測量設備這4個領域為主，將搭載了獨自研發的技術產品送往全球各地。
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所購產品若發生異常或故障，請聯繫代理商進行修理委託。停產產品自停產日起，會保留至少 5年的維修對應服務。在HIOKI產品的質保期間，對於產品本身的故障提供無償修理或換新服務。
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