動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率三維測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

洪曉斌　李年智　謝爍熳　劉桂雄

摘要：針對(duì)動(dòng)力電池安全性能在線檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)，提出基于電阻層析成像的動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率三維測(cè)量新技術(shù)，開發(fā)動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率三維測(cè)量裝置。該裝置采用雙微控制器與PC機(jī)復(fù)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(duì)電池進(jìn)行激勵(lì)測(cè)試。試驗(yàn)證明：測(cè)量裝置具有良好的重復(fù)性，重復(fù)測(cè)量誤差可控制在0.206%0以內(nèi)，PC機(jī)軟件成像效果穩(wěn)定，可為動(dòng)力電池內(nèi)部局部溫度異常預(yù)警、隔膜結(jié)構(gòu)變形檢測(cè)等在線安全性能檢測(cè)研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：視電阻率；三維傳感模型；四電極伏安法；動(dòng)力電池

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2015）01-0061-05

0引言

動(dòng)力電池具有高能量密度和長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(dòng)力電池快速發(fā)展，急需加大力度重點(diǎn)研究突破。目前，動(dòng)力電池不同性能檢測(cè)已成為研究熱點(diǎn)，如利用充放電特性研究極片材料的放電率，研究電化學(xué)熱特性探索動(dòng)力電池內(nèi)部產(chǎn)熱機(jī)理，通過檢測(cè)內(nèi)阻預(yù)測(cè)動(dòng)力電池壽命老化程度，以及測(cè)量剩余容量究動(dòng)力電池充放電特性及內(nèi)阻的影響等。傳統(tǒng)檢測(cè)方法主要為離線檢測(cè)模式，而目前動(dòng)力電池在使用過程中由于操作不當(dāng)?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(cè)方法對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)部健康狀態(tài)進(jìn)行在線評(píng)估。

電阻層析成像作為一種基于高密度電阻率法的探測(cè)方法，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)及環(huán)境監(jiān)測(cè)、兩相管流的監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。其中，視電阻率作為主要的測(cè)量參數(shù)能夠完整反映被測(cè)對(duì)象內(nèi)部介質(zhì)構(gòu)成，方便進(jìn)一步分析被測(cè)對(duì)象的即時(shí)健康狀態(tài)。動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由正負(fù)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(dòng)力電池內(nèi)部材料的物理特性，與動(dòng)力電池特性有著密切聯(lián)系。一方面，視電阻率隨動(dòng)力電池內(nèi)部材料特性變化而變化，同時(shí)，電池內(nèi)部復(fù)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(dòng)態(tài)指標(biāo)剩余容量與內(nèi)阻的變化預(yù)示著正負(fù)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(duì)動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文作者前期提出基于電阻層析成像的動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率測(cè)量方法，探索性研究了基于二維檢測(cè)模式的動(dòng)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(cè)模式尚不能對(duì)測(cè)線短、厚度深的動(dòng)力電池內(nèi)部區(qū)域的視電阻率進(jìn)行全區(qū)域探測(cè)。作者發(fā)現(xiàn)，采用三維全方位探測(cè)方法來獲悉動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率，能夠很好地克服二維測(cè)量模式的不足，其中，三維視電阻率測(cè)量裝置是整個(gè)探測(cè)方法的核心。三維視電阻率測(cè)量需要更高的分辨率、穩(wěn)定性以及實(shí)時(shí)性，本文結(jié)合鋰離子動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研發(fā)了一套針對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)部三維視電阻率測(cè)量裝置。該裝置能夠?qū)?dòng)力電池的內(nèi)部特性狀態(tài)進(jìn)行即時(shí)評(píng)估，并可進(jìn)一步應(yīng)用于動(dòng)力電池的安全性能、壽命老化等方面研究。

1動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率測(cè)量原理

視電阻率一般通過四電極伏安法測(cè)得，工作原理如圖1所示。在A、M、N、B4個(gè)橫向排列的電極陣列中，A、B兩電極作為激勵(lì)電極，通過激勵(lì)脈沖電流信號(hào)作用，在電池內(nèi)部形成電場(chǎng)；M、N兩電極作為測(cè)量電極，感知兩點(diǎn)的電勢(shì)差信息，所得電勢(shì)差可進(jìn)一步換算得到相應(yīng)點(diǎn)的視電阻率，這樣可獲取一個(gè)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(huì)布置在電池表面，每次測(cè)量—個(gè)內(nèi)部位置，只需選中表面相應(yīng)4個(gè)電極進(jìn)行測(cè)試，切換至其他4個(gè)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(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率分布。

2動(dòng)力電池內(nèi)部視電阻率三維測(cè)量裝置架構(gòu)

2.1裝置組成結(jié)構(gòu)

動(dòng)力電池內(nèi)部三維視電阻率測(cè)量裝置基于模塊化方式，采用雙微控制器與PC機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

上行微控制器主要負(fù)責(zé)對(duì)不同模塊發(fā)出控制命令，下行微控制器則負(fù)責(zé)信號(hào)采集及調(diào)理、時(shí)序同步以及與PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信，上/下微控制器可相互通信確保激勵(lì)信號(hào)時(shí)序與信號(hào)采集時(shí)序同步。PC機(jī)用于支撐軟件系統(tǒng)的運(yùn)行，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)并完成圖像反演處理，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行保存。在主要硬件模塊中，激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊能夠產(chǎn)生所需的激勵(lì)電流脈沖，使電池內(nèi)部產(chǎn)生穩(wěn)定電場(chǎng)；電極選通模塊又分為激勵(lì)電極選通開關(guān)和測(cè)量電極選通開關(guān)，分別完成對(duì)激勵(lì)電流脈沖信號(hào)和被測(cè)電壓信號(hào)的傳導(dǎo)；三維傳感陣列模型由小型銅片電極陣列組成，在試驗(yàn)中與電池表面直接貼合，能夠在激勵(lì)脈沖信號(hào)的作用下形成電場(chǎng)。

2.2三維傳感陣列模型

為獲取整個(gè)電池內(nèi)部各位置視電阻率分布，動(dòng)力電池視電阻率測(cè)量裝置采用三維傳感陣列模型增大探測(cè)范圍。在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)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(shí)直接嵌入被測(cè)對(duì)象表層，對(duì)被測(cè)對(duì)象會(huì)產(chǎn)生損傷。針對(duì)動(dòng)力電池這一特殊對(duì)象，設(shè)計(jì)中選用銅電極片與電池表面緊密貼合，防止對(duì)電池體產(chǎn)生損傷，進(jìn)而避免發(fā)生短路等危險(xiǎn)。

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(gè)平臺(tái)龐大復(fù)雜，特別針對(duì)體積小、橫截面積有限的動(dòng)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(shè)計(jì)中以5x5矩形排列的電極片面陣列作為基礎(chǔ)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(gè)FPC構(gòu)成5x10陣列模型，可覆蓋電池整個(gè)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(diǎn)，即使應(yīng)用到電池組內(nèi)部，也不會(huì)占用額外空間。

3裝置核心電路設(shè)計(jì)

3.1微控制器

微控制器是整個(gè)測(cè)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(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞。本部分主要采用單片機(jī)作為微控制器，考慮到電極選通模塊需要大量的命令信號(hào)，同時(shí)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊需要增益控制，加上與PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信，設(shè)計(jì)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(jī)異步串行通信速率可到921.6kb/s。

3.2激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊

激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊主要用于產(chǎn)生雙極性脈沖電流信號(hào)。采用這種激勵(lì)方式能在測(cè)量電極對(duì)時(shí)得到一個(gè)接近完美的方波信號(hào)，并且可以省去復(fù)雜的后續(xù)濾波，同時(shí)在實(shí)時(shí)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(hào)Vs，在基準(zhǔn)電壓Vr作用下，經(jīng)過由可編程儀用放大器與精密運(yùn)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(hào)。設(shè)計(jì)中采用DAC0808作為脈沖電壓源，其芯片建立時(shí)間為150ns；采用PGA203作為儀用放大器，與精密高速集成運(yùn)放AD711構(gòu)成電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，只需要一個(gè)固定電阻即可得到所需的雙極性脈沖電流信號(hào)，其信號(hào)幅值可進(jìn)一步通過單片機(jī)MSP430編程控制PGA203的放大倍數(shù)來實(shí)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(cè)量過程中電極片的切換更加復(fù)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(gè)電極片中選通任意行/列的4個(gè)電極片作為工作電極進(jìn)行激勵(lì)測(cè)量。設(shè)計(jì)中選用MAXIM公司的MAX396芯片作為選通開關(guān)，它是16選1高速CMOS模擬開關(guān)芯片，芯片的導(dǎo)通電阻為100Ω，漏電流為0.75nA，可以滿足系統(tǒng)中橫向10個(gè)電極的高速切換。此外，當(dāng)在行/列間切換時(shí)，則需額外4片MAX396組成二級(jí)選通，保證某一行/列測(cè)量結(jié)束時(shí)，迅速切換至下一行/列掃描。

3.4信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊主要由前級(jí)放大電路、工頻濾波電路、次級(jí)放大電路以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。測(cè)量電極能感應(yīng)微弱的電壓信號(hào)，通過前級(jí)放大電路初次放大后，需進(jìn)一步消除工頻干擾信號(hào)，濾波后還需經(jīng)過次級(jí)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(hào)，基本原理如圖5所示。

采用儀用放大器INA114作為兩級(jí)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(hào)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(shí)間能快速將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為可讀取的數(shù)字信號(hào)，對(duì)硬件系統(tǒng)的整體實(shí)時(shí)性有很大提高。

4裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1微控制器程序設(shè)計(jì)

微控制器程序設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)主處理程序、電極選通程序、激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生程序、增益自動(dòng)控制程序、A/D轉(zhuǎn)換控制程序和串口通信程序設(shè)計(jì)。其中，系統(tǒng)主處理程序主要完成單片機(jī)初始化、激勵(lì)信號(hào)的循環(huán)激勵(lì)；電極選通程序主要完成激勵(lì)/測(cè)量電極對(duì)的實(shí)時(shí)切換功能；激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生程序使D/A轉(zhuǎn)換產(chǎn)生周期性脈沖電壓信號(hào)；增益自動(dòng)控制程序負(fù)責(zé)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(lì)信號(hào)源進(jìn)行同步，然后實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換功能；串口通信程序完成下行微控制器與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和接收控制命令等功能。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4.2PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)PC功能包括兩個(gè)方面：1）將電壓數(shù)據(jù)經(jīng)過公式運(yùn)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(dāng)?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(zhǔn)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(cè)量電阻率值之間差異。

5裝置性能測(cè)試

動(dòng)力電池內(nèi)部的三維視電阻率測(cè)量裝置試驗(yàn)平臺(tái)如圖7所示，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，尺寸140mmx65mmx18mm。為保證電極片與電池表面緊密貼合，試驗(yàn)中采用F夾進(jìn)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(píng)估系統(tǒng)性能，試驗(yàn)中主要對(duì)系統(tǒng)的重復(fù)性以及圖像反演效果進(jìn)行了評(píng)估。

5.1重復(fù)性試驗(yàn)

試驗(yàn)中，環(huán)境溫度為常溫29℃，雙極性脈沖電流幅值設(shè)定為1mA，幅值增益為1。試驗(yàn)采用溫納激勵(lì)策略，橫向10個(gè)電極共測(cè)得11個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，縱向5個(gè)電極共2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，50個(gè)電極共產(chǎn)生75個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)試過程中每個(gè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)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(cè)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(shí)際測(cè)量需求。

5.2圖像反演效果

以重復(fù)性試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，取各點(diǎn)平均值，采用抑制平滑度最小平方法對(duì)視電阻率進(jìn)行圖像反演重建，得到動(dòng)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(dòng)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(gè)橫截面，x方向和y方向分別為電池的長(zhǎng)寬方向，即3幅圖像分別描述了動(dòng)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(huì)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(huì)對(duì)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)?dòng)力電池內(nèi)部的視電阻率分布做出有效評(píng)估。

6結(jié)束語

本文成功開發(fā)了一套動(dòng)力電池內(nèi)部三維視電阻率測(cè)量裝置。該裝置采用雙微控制器作為核心，以PC機(jī)為主機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)三維傳感陣列模型作為載體，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)部電阻率的實(shí)時(shí)測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行，重復(fù)測(cè)量誤差能夠控制在0.206%0以內(nèi)，PC機(jī)圖像反演效果穩(wěn)定，誤差僅為1%，能夠滿足實(shí)際測(cè)試需求。此外，本裝置可進(jìn)一步應(yīng)用于動(dòng)力電池組內(nèi)部視電阻率場(chǎng)測(cè)量，對(duì)動(dòng)力電池的安全防護(hù)、壽命預(yù)測(cè)及隔膜結(jié)構(gòu)收縮變形檢測(cè)等方面具有指導(dǎo)作用。