動力電池內(nèi)部視電阻率三維測量裝置設計

洪曉斌　李年智　謝爍熳　劉桂雄

摘要：針對動力電池安全性能在線檢測發(fā)展趨勢，提出基于電阻層析成像的動力電池內(nèi)部視電阻率三維測量新技術(shù)，開發(fā)動力電池內(nèi)部視電阻率三維測量裝置。該裝置采用雙微控制器與PC機復合架構(gòu)，控制產(chǎn)生增益可調(diào)的雙極性脈沖電流，并通過三維傳感陣列模型對電池進行激勵測試。試驗證明：測量裝置具有良好的重復性，重復測量誤差可控制在0.206%0以內(nèi)，PC機軟件成像效果穩(wěn)定，可為動力電池內(nèi)部局部溫度異常預警、隔膜結(jié)構(gòu)變形檢測等在線安全性能檢測研究奠定基礎。

關鍵詞：視電阻率；三維傳感模型；四電極伏安法；動力電池

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）01-0061-05

0引言

動力電池具有高能量密度和長循環(huán)使用壽命等優(yōu)越性能，已成為最具發(fā)展前景和競爭力的新能源產(chǎn)業(yè)之一；然而，其使用過程中的安全性問題制約了動力電池快速發(fā)展，急需加大力度重點研究突破。目前，動力電池不同性能檢測已成為研究熱點，如利用充放電特性研究極片材料的放電率，研究電化學熱特性探索動力電池內(nèi)部產(chǎn)熱機理，通過檢測內(nèi)阻預測動力電池壽命老化程度，以及測量剩余容量究動力電池充放電特性及內(nèi)阻的影響等。傳統(tǒng)檢測方法主要為離線檢測模式，而目前動力電池在使用過程中由于操作不當?shù)仍蛉菀自斐晒陌?、漏液甚至爆炸等安全問題；因此，急需尋找新的有效檢測方法對動力電池內(nèi)部健康狀態(tài)進行在線評估。

電阻層析成像作為一種基于高密度電阻率法的探測方法，已廣泛應用于地質(zhì)及環(huán)境監(jiān)測、兩相管流的監(jiān)測等領域。其中，視電阻率作為主要的測量參數(shù)能夠完整反映被測對象內(nèi)部介質(zhì)構(gòu)成，方便進一步分析被測對象的即時健康狀態(tài)。動力電池結(jié)構(gòu)復雜，主要由正負電極、隔膜、電解液、極柱和外殼等組成。視電阻率能夠很好地表征動力電池內(nèi)部材料的物理特性，與動力電池特性有著密切聯(lián)系。一方面，視電阻率隨動力電池內(nèi)部材料特性變化而變化，同時，電池內(nèi)部復雜的結(jié)構(gòu)組成使其內(nèi)部視電阻率呈不規(guī)則分布；另一方面，動態(tài)指標剩余容量與內(nèi)阻的變化預示著正負極材料老化、電解液濃度減小，這些材料特性的變化間接影響視電阻率；因此，對動力電池內(nèi)部視電阻率變化進行實時監(jiān)測具有廣闊的應用前景。

本文作者前期提出基于電阻層析成像的動力電池內(nèi)部視電阻率測量方法，探索性研究了基于二維檢測模式的動力電池內(nèi)部視電阻率分布規(guī)律，該方法能夠提供豐富、直觀的電池視電阻率剖面反演圖像。然而，二維檢測模式尚不能對測線短、厚度深的動力電池內(nèi)部區(qū)域的視電阻率進行全區(qū)域探測。作者發(fā)現(xiàn)，采用三維全方位探測方法來獲悉動力電池內(nèi)部視電阻率，能夠很好地克服二維測量模式的不足，其中，三維視電阻率測量裝置是整個探測方法的核心。三維視電阻率測量需要更高的分辨率、穩(wěn)定性以及實時性，本文結(jié)合鋰離子動力電池的結(jié)構(gòu)特點，研發(fā)了一套針對動力電池內(nèi)部三維視電阻率測量裝置。該裝置能夠?qū)恿﹄姵氐膬?nèi)部特性狀態(tài)進行即時評估，并可進一步應用于動力電池的安全性能、壽命老化等方面研究。

1動力電池內(nèi)部視電阻率測量原理

視電阻率一般通過四電極伏安法測得，工作原理如圖1所示。在A、M、N、B4個橫向排列的電極陣列中，A、B兩電極作為激勵電極，通過激勵脈沖電流信號作用，在電池內(nèi)部形成電場；M、N兩電極作為測量電極，感知兩點的電勢差信息，所得電勢差可進一步換算得到相應點的視電阻率，這樣可獲取一個位置的視電阻率信息。為了盡可能獲取電池內(nèi)部不同區(qū)域的信息，電極片陣列會布置在電池表面，每次測量—個內(nèi)部位置，只需選中表面相應4個電極進行測試，切換至其他4個電極片，又可獲取電池內(nèi)部其他位置的視電阻率信息。獲取電池內(nèi)部大多數(shù)位置的視電阻率后，通過圖像重建算法，可以重建出動力電池內(nèi)部視電阻率分布。

2動力電池內(nèi)部視電阻率三維測量裝置架構(gòu)

2.1裝置組成結(jié)構(gòu)

動力電池內(nèi)部三維視電阻率測量裝置基于模塊化方式，采用雙微控制器與PC機復合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

上行微控制器主要負責對不同模塊發(fā)出控制命令，下行微控制器則負責信號采集及調(diào)理、時序同步以及與PC機的實時通信，上/下微控制器可相互通信確保激勵信號時序與信號采集時序同步。PC機用于支撐軟件系統(tǒng)的運行，處理試驗數(shù)據(jù)并完成圖像反演處理，并對試驗結(jié)果進行保存。在主要硬件模塊中，激勵信號產(chǎn)生模塊能夠產(chǎn)生所需的激勵電流脈沖，使電池內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定電場；電極選通模塊又分為激勵電極選通開關和測量電極選通開關，分別完成對激勵電流脈沖信號和被測電壓信號的傳導；三維傳感陣列模型由小型銅片電極陣列組成，在試驗中與電池表面直接貼合，能夠在激勵脈沖信號的作用下形成電場。

2.2三維傳感陣列模型

為獲取整個電池內(nèi)部各位置視電阻率分布，動力電池視電阻率測量裝置采用三維傳感陣列模型增大探測范圍。在傳統(tǒng)工業(yè)領域，傳感陣列中的電極主要采用銅和不銹鋼制成的矩形電極片，安裝時直接嵌入被測對象表層，對被測對象會產(chǎn)生損傷。針對動力電池這一特殊對象，設計中選用銅電極片與電池表面緊密貼合，防止對電池體產(chǎn)生損傷，進而避免發(fā)生短路等危險。

一般三維傳感模型陣列的電極片數(shù)量較多，需要大量線纜與硬件系統(tǒng)連接，使整個平臺龐大復雜，特別針對體積小、橫截面積有限的動力電池，使用大量線纜不僅增加電極片固定的難度，而且成本更高。設計中以5x5矩形排列的電極片面陣列作為基礎模型，采用軟性電路板FPC代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜，集成電極片與硬件系統(tǒng)的所有線路，將電極片直接焊接在軟性電路板上，最后通過接插件將FPC與硬件電路連接。如圖3所示，采用兩個FPC構(gòu)成5x10陣列模型，可覆蓋電池整個矩形表面。該模型不僅節(jié)省空間而且方便電極片安裝，大大降低成本。由于FPC電路板具有厚度薄、重量輕的特點，即使應用到電池組內(nèi)部，也不會占用額外空間。

3裝置核心電路設計

3.1微控制器

微控制器是整個測量裝置的核心，不僅控制各硬件模塊發(fā)揮特定功能，還需同PC機進行實時數(shù)據(jù)傳遞。本部分主要采用單片機作為微控制器，考慮到電極選通模塊需要大量的命令信號，同時激勵信號產(chǎn)生模塊需要增益控制，加上與PC機的實時通信，設計中采用IT公司的微功耗混合數(shù)字處理器MSP430F169，構(gòu)成雙微控制器架構(gòu)；上/下行微控制器協(xié)同工作能夠大大提高工作效率，其中下行微控制器與PC機異步串行通信速率可到921.6kb/s。

3.2激勵信號產(chǎn)生模塊

激勵信號產(chǎn)生模塊主要用于產(chǎn)生雙極性脈沖電流信號。采用這種激勵方式能在測量電極對時得到一個接近完美的方波信號，并且可以省去復雜的后續(xù)濾波，同時在實時性方面也得到較大改善。

如圖4所示，系統(tǒng)采用微控制器控制DAC芯片產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖電壓信號Vs，在基準電壓Vr作用下，經(jīng)過由可編程儀用放大器與精密運算放大器構(gòu)成的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，即可產(chǎn)生高精度增益可調(diào)的脈沖電流信號。設計中采用DAC0808作為脈沖電壓源，其芯片建立時間為150ns；采用PGA203作為儀用放大器，與精密高速集成運放AD711構(gòu)成電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，只需要一個固定電阻即可得到所需的雙極性脈沖電流信號，其信號幅值可進一步通過單片機MSP430編程控制PGA203的放大倍數(shù)來實現(xiàn)。

3.3電極選通模塊

與二維傳感陣列不同，三維傳感陣列中電極片以面陣列的形式在電池表面分布。不僅電極片數(shù)量大幅度增加，而且測量過程中電極片的切換更加復雜，包括行/列內(nèi)的電極切換以及行/列間的切換。三維傳感陣列模型中采用5x10電極陣列，要求選通模塊能夠在50個電極片中選通任意行/列的4個電極片作為工作電極進行激勵測量。設計中選用MAXIM公司的MAX396芯片作為選通開關，它是16選1高速CMOS模擬開關芯片，芯片的導通電阻為100Ω，漏電流為0.75nA，可以滿足系統(tǒng)中橫向10個電極的高速切換。此外，當在行/列間切換時，則需額外4片MAX396組成二級選通，保證某一行/列測量結(jié)束時，迅速切換至下一行/列掃描。

3.4信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊主要由前級放大電路、工頻濾波電路、次級放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。測量電極能感應微弱的電壓信號，通過前級放大電路初次放大后，需進一步消除工頻干擾信號，濾波后還需經(jīng)過次級放大電路處理得到適合模數(shù)轉(zhuǎn)換工作范圍的電壓信號，基本原理如圖5所示。

采用儀用放大器INA114作為兩級放大電路的核心器件，兩次放大倍數(shù)為1～10⁸；為防止工頻噪聲干擾，采用工頻陷波器F42N50能夠保證信號無損濾波；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用分辨率12bit的MAX120芯片，1.6μs的轉(zhuǎn)換時間能快速將模擬信號轉(zhuǎn)化為可讀取的數(shù)字信號，對硬件系統(tǒng)的整體實時性有很大提高。

4裝置軟件系統(tǒng)設計

4.1微控制器程序設計

微控制器程序設計主要包括系統(tǒng)主處理程序、電極選通程序、激勵信號產(chǎn)生程序、增益自動控制程序、A/D轉(zhuǎn)換控制程序和串口通信程序設計。其中，系統(tǒng)主處理程序主要完成單片機初始化、激勵信號的循環(huán)激勵；電極選通程序主要完成激勵/測量電極對的實時切換功能；激勵信號產(chǎn)生程序使D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生周期性脈沖電壓信號；增益自動控制程序負責雙極性脈沖電流的幅值調(diào)節(jié)；A/D轉(zhuǎn)換控制程序首先需要與激勵信號源進行同步，然后實現(xiàn)模擬信號的實時轉(zhuǎn)換功能；串口通信程序完成下行微控制器與PC機的數(shù)據(jù)傳輸和接收控制命令等功能。系統(tǒng)的總體設計流程如圖6所示。

4.2PC機軟件設計

上位機PC功能包括兩個方面：1）將電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過公式運算處理轉(zhuǎn)換為視電阻率數(shù)據(jù)；2）將得到的視電阻率數(shù)據(jù)通過適當?shù)姆囱菟惴ㄍ瓿蓤D像反演重建。反演程序主要采用抑制平滑度最小平方法，該算法能夠快速準確反演完成電池內(nèi)部視電阻率剖面圖像。程序反演中采用均方根誤差RMS來度量視電阻率與測量電阻率值之間差異。

5裝置性能測試

動力電池內(nèi)部的三維視電阻率測量裝置試驗平臺如圖7所示，實驗對象為磷酸鐵鋰動力電池，尺寸140mmx65mmx18mm。為保證電極片與電池表面緊密貼合，試驗中采用F夾進行固定。電極片為直徑5mm，厚度0.6mm的圓形銅電極片。FPC上電極片中心間距12mm。為評估系統(tǒng)性能，試驗中主要對系統(tǒng)的重復性以及圖像反演效果進行了評估。

5.1重復性試驗

試驗中，環(huán)境溫度為常溫29℃，雙極性脈沖電流幅值設定為1mA，幅值增益為1。試驗采用溫納激勵策略，橫向10個電極共測得11個數(shù)據(jù)點，縱向5個電極共2個數(shù)據(jù)點，50個電極共產(chǎn)生75個數(shù)據(jù)點，測試過程中每個點重復測試18次。電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過換算得到視電阻率值，結(jié)果如表1所示，可知系統(tǒng)18次測量結(jié)果得到的視電阻率值穩(wěn)定，均方差最大為0.206‰，能夠滿足實際測量需求。

5.2圖像反演效果

以重復性試驗中的實測數(shù)據(jù)為基礎，取各點平均值，采用抑制平滑度最小平方法對視電阻率進行圖像反演重建，得到動力電池內(nèi)部視電阻率分布。圖8為算法3次迭代反演效果圖，動力電池內(nèi)部三維視電阻率分布圖像從z軸方向（電池厚度的方向）被分解為3個橫截面，x方向和y方向分別為電池的長寬方向，即3幅圖像分別描述了動力電池不同深度方向上橫向截面的視電阻率分布。圖8（a）描述了電池厚度0-0.6cm范圍內(nèi)的視電阻率剖面圖，可以看出電池表層視電阻率色帶值偏低，電解液濃度稀少，外殼和電極材料也會使視電阻率偏低；圖8（b）描述了電池中間層剖面分布，色帶值比較平穩(wěn)；而圖8（c）中，底層剖面色帶值偏高，主要原因是受絕緣隔膜影響，其次電流密度的衰減也會對其產(chǎn)生一定影響。3次迭代反演誤差為1.0%，反演效果穩(wěn)定，能夠?qū)恿﹄姵貎?nèi)部的視電阻率分布做出有效評估。

6結(jié)束語

本文成功開發(fā)了一套動力電池內(nèi)部三維視電阻率測量裝置。該裝置采用雙微控制器作為核心，以PC機為主機結(jié)構(gòu)，設計三維傳感陣列模型作為載體，能夠有效實現(xiàn)對動力電池內(nèi)部電阻率的實時測量。試驗結(jié)果表明：設計的測量裝置能夠穩(wěn)定運行，重復測量誤差能夠控制在0.206%0以內(nèi)，PC機圖像反演效果穩(wěn)定，誤差僅為1%，能夠滿足實際測試需求。此外，本裝置可進一步應用于動力電池組內(nèi)部視電阻率場測量，對動力電池的安全防護、壽命預測及隔膜結(jié)構(gòu)收縮變形檢測等方面具有指導作用。