基于叉指微電極的新能源車電池冷卻液電導率變送器設計

王雪鵬,梁百慧,陳曉鵬,高逸寧,郁昌青,金慶輝,鄔楊波

(1.寧波大學信息科學與工程學院,浙江寧波 315211;2.健康智慧廚房浙江省工程研究中心,浙江寧波 315336;3.寧波方太廚具有限公司,浙江寧波 315316 )

0 引言

隨著新能源汽車迅速發(fā)展,其產(chǎn)品質(zhì)量,技術(shù)安全等方面風險進一步擴大。目前已經(jīng)有很多關(guān)于新能源汽車自燃的報道,其中動力電池燃燒是造成汽車自燃的主要原因,提高動力電池安全性能是解決問題主要手段之一。新能源汽車中電池管理系統(tǒng)(battery management system)時刻監(jiān)控電池的使用狀態(tài),為新能源車輛的使用安全提供保障,其中對電池冷卻液的電導率進行監(jiān)測尤為重要。在新能源汽車中,電池冷卻液具有以下特點:首先,對于浸入式冷卻方式,由于電池與冷卻液直接接觸,冷卻液必須擁有超低的電導率,此時冷卻液與電池完全絕緣。對于間接液冷式冷卻方式,電池冷卻液具有超低電導率可以防止冷卻液泄漏造成電極短路。其次,新能源車輛在使用過程中冷卻液的溫度會在較大的范圍內(nèi)變化,對不同溫度下的冷卻液電導率進行檢測可以保證車輛使用過程中的安全性。最后,低電導率電池冷卻液不易腐蝕冷卻管路。因此,電池管理系統(tǒng)要求在線高精度電導率測量和溫度監(jiān)測,確保電池安全。對車輛而言,電池使用壽命增長,能量損失減少,可以增加車輛運行的安全性和使用時間。

目前,已有的商用電導率傳感器測量精度相對較高、量程范圍廣、附加功能強,但是對于寬溫度范圍內(nèi)超低電導率溶液電導率的測量精度不能滿足新能源車電池冷卻液的監(jiān)測需求。如AST生產(chǎn)的電導率傳感器,檢測范圍為1～1 000 μS/cm,檢測精度為±1 μS/cm,有效測量溫度為0～50 ℃,不滿足新能源汽車的應用需求。美國的奧利龍(Orion)公司發(fā)布的A212型臺式電導率儀測量范圍為1～3 000 μS/cm,有效測量溫度為0～25 ℃,主要面向電力/石化/制藥/生物/食品等行業(yè)純水檢測,對超低電導率溶液測量效果并不理想。

超低電導率溶液的測量中,中北大學郭峰等使用了四電極探頭,使用正弦交流信號作為激勵信號對1～1 000 μS/cm的溶液電導率進行測量[1]。大連理工大學高山川等使用雙頻正弦信號作為激勵信號,通過計算溶液的阻抗解決了溶液中的雙電層效應[2]。清華大學的孟凡、董永貴使用方波脈沖作為激勵,有效減小了正弦信號在測量過程中不穩(wěn)定的問題[3]。以上研究都是在0～30 ℃內(nèi)對溶液電導率進行測量,但在實際運行過程中新能源汽車電池冷卻液受環(huán)境影響較大,需要保證在極端條件下(如在-20 ℃或90 ℃時)對電池冷卻液電導率進行準確測量[4]。

針對新能源車電池冷卻液電導率測量面臨的寬溫度區(qū)間,超低電導率溶液的高精度測量的挑戰(zhàn),本文設計的高精度信號采集與處理電路使用集成微納叉指電極并采用鉑電阻作為溫度傳感單元,可對-20～90 ℃溫區(qū)內(nèi)的電導率與溫度進行測量。與傳統(tǒng)的金屬電極電導率傳感器相比,該傳感器可以通過MEMS工藝實現(xiàn)量產(chǎn),具有高一致性、高靈敏度、高穩(wěn)定性、體積小等優(yōu)點。

1 電導率溫度集成微納電極設計

電導率是物體傳導電流的能力,由自由移動的離子產(chǎn)生,通過在傳感器兩端施加交流激勵信號可以實現(xiàn)電導率的測量[5]。傳統(tǒng)金屬電極體積大,需要占用較大的安裝空間。叉指電極體積小,電極表面電荷運動所需時間短,與傳統(tǒng)金屬電極相比,具有響應速度快[6]、檢測靈敏度高、高穩(wěn)定性好等優(yōu)勢,可以在不影響和破壞測試環(huán)境的情況下測量[7]。此外,通過電極的微小電流可以顯著降低溶液體系的IR壓降和電流引起的熱效應,適用于對測量精度和安全性能要求苛刻的新能源車電池冷卻液的電導率測量[8]。

溶液電導率與電解質(zhì)在水中的離解度及離子的遷移速度有密切的關(guān)系,溶液的離解度及離子遷移速度又與溶液的溫度密切相關(guān),溶液溫度變化將影響到溶液實際的電導率。為比較不同溫度下溶液電導率,通常將電導率規(guī)定為25 ℃下溶液電導率。因此實際電導率測量必須進行溫度補償,通過溫度補償使不同溫度的溶液的電導率具有可比性。

1.1 叉指微電極電導率傳感器

叉指微電極由一對交叉排列的對稱電極構(gòu)成,其中一個為激勵電極,提供檢測所需要的激勵信號,另一個為參考電極[9]。當對激勵電極施加一定幅度和頻率的電壓信號時,在電場作用下溶液中離子會在溶液中移動,從而在電極間產(chǎn)生電流[10],這個過程中電極-溶液-電極體系存在一定的阻抗,兩極之間的電導與溶液電導率之間呈現(xiàn)為一種比例關(guān)系,通過對電極間等效電導率的測量可以計算出溶液實際電導率[11]。叉指微電極-溶液組成的電化學體系等效電路圖如圖1所示。

圖1 叉指電極-溶液等效電路圖

圖1中,Cdl表示電極表面的雙電層電容,Csol表示溶液電容,Rsol表示溶液電阻,而叉指電極總體阻抗Z與單對叉指的阻抗Zn之間的關(guān)系可表示為

(1)

由式(1)可知叉指電極的總體電導等于每對叉指電導之和,即可通過叉指數(shù)目的增加實現(xiàn)對高內(nèi)阻溶液的阻抗測量,有效降低電導率測量的最低檢測限[12]。針對新能源車電池冷卻液電導率極低的特性,依據(jù)叉指電極電路模型,本文采用六對叉指電極實現(xiàn)電池冷卻液電導率測量。六對叉指電極的叉指長度為8.00 mm,寬度為0.05 mm,叉指間距為0.35 mm,所設計的集成微納叉指電極版圖如圖2所示。

圖2 叉指電極電導率傳感器與Pt溫度傳感器版圖

通常情況下,電導率傳感器的電極常數(shù)必須進行校準[13],電極常數(shù)取決于電極的幾何形狀,通過電極常數(shù)與溶液的電阻率可以計算出溶液的電導率[14]。式(2)為溶液電導率與溶液電阻率和電極常數(shù)的關(guān)系:

Rsol=k·ρ=k/σ

(2)

式中:Rsol為溶液電導率;k為電極常數(shù);ρ為溶液電阻率;σ為溶液介電常數(shù)。

在相同電導率范圍內(nèi),通過調(diào)整k可以獲得更大的溶液等效電阻,式(3)為溶液電導率與電極常數(shù)的關(guān)系:

(3)

式中:L為電極長度;s為電極間隙,w為電極寬度。

當式(3)中的K(k)完全積分時,

(4)

可以看出在測量低電導率的溶液時,叉指電極擁有更快的響應時間,降低了建立穩(wěn)態(tài)所需的時間,改進了測量響應[15]。

1.2 Pt1000溫度傳感器

新能源車電池冷卻液工作溫度范圍在-20～90 ℃,適合使用熱電阻式測溫傳感器。熱電阻式測溫傳感器的優(yōu)點十分明顯,擁有高的溫度系數(shù)以及高電阻率,而且在較寬的測量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理及化學特性,且加工工藝簡單。而鉑的溫度系數(shù)適中,且電阻隨溫度變化近線性,物理化學特性十分穩(wěn)定,本設計使用蛇形薄膜鉑電阻對溫度進行測量。

蛇形薄膜鉑電阻設計結(jié)構(gòu)如圖2所示,鉑電阻長度為0.48 mm,寬度為0.08 mm。由于溫度傳感器與冷卻液直接接觸,因此在傳感器制造時,在鉑電阻上方覆蓋一層氮化硅進行絕緣處理,同時氮化硅層也起到防腐蝕的作用。圖3為傳感器實物圖,該傳感器通過MEMS(微機電系統(tǒng))工藝制備,采用磁控濺射工藝和離子束刻蝕工藝制備精細鉑敏感電極,采用等離子體增強化學氣相沉積和反應離子刻蝕技術(shù)制備絕緣抗腐蝕的氮化硅薄膜。

2 電導率變送器電路設計

2.1 電導率變送器電路總體結(jié)構(gòu)

電導率變送器以GD32F303CGT6微處理器為核心,實現(xiàn)激勵信號產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集以及基于CAN總線的傳感器校準與數(shù)據(jù)傳輸。傳感器電路總體結(jié)構(gòu)如圖4所示,包括電源電路、激勵信號產(chǎn)生電路、電導率測量電路、溫度測量電路、CAN通信電路。電源電路將12～36 V的直流電壓輸入轉(zhuǎn)換為5 V并通過其他電路將5 V轉(zhuǎn)換為其他供電電壓與參考電壓。激勵信號產(chǎn)生電路由基準電壓源與模擬開關(guān)組成,通過嵌入式微控制器控制模擬開關(guān)的開關(guān)頻率從而控制激勵信號的頻率。通過電導率測量電路與溫度測量電路對溶液電導率與溫度進行測量,由微控制器進行數(shù)據(jù)采集與溫度補償計算,最后通過CAN總線實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 激勵信號發(fā)生電路

在測量溶液電導率時,電極與電導池會形成一個復雜的系統(tǒng),電導池中存在一系列復雜的電化學反應。為了避免直流激勵造成的極化效應的影響,傳統(tǒng)電導率測量電路多采用雙極性正弦信號或方波作為激勵信號。雙極性激勵信號存在傳感器電源供電電路復雜,波形峰值抖動影響測量精度等問題。本文提出采用高精度基準電壓源及模擬開關(guān)產(chǎn)生單極性方波激勵信號,不僅可以簡化傳感器的電源電路而且可以提高激勵信號穩(wěn)定性和抗干擾能力,從而提高檢測的精度。

激勵信號發(fā)生電路如圖5所示,由2.5 V電壓基準電壓源與模擬開關(guān)組成前級信號產(chǎn)生電路。其中2.50 V電壓基準源使用RS432,RS432在25 ℃時參考電壓公差為0.5%,在-40～120 ℃全溫度區(qū)間內(nèi)電流偏差為2 μA,滿足本設計中基準源在溫區(qū)范圍內(nèi)輸出電壓的穩(wěn)定性要求,電壓基準源輸出參考電壓Vref為2.50 V。模擬開關(guān)使用軌至軌單刀雙擲的模擬開關(guān)ADG619,軌至軌輸出使得通過交替導通輸出的單極性方波擁有較寬且穩(wěn)定的波形,頻率由PB0的I/O翻轉(zhuǎn)速度決定,通過控制電壓基準源輸出與模擬地平面交替導通,最終輸出峰峰值為2.50 V的單極性方波。

圖5 激勵信號發(fā)生電路

為了使傳感器處于安全的電壓范圍以及提高激勵信號驅(qū)動能力,在單極性方波激勵信號輸出端通過電壓跟隨電路提高驅(qū)動能力,電壓跟隨器使用的運算放大器為RS8521,噪聲峰峰值為3.2 μV,輸入偏置電流為10 pA,輸入失調(diào)電壓為1 μV,滿足作為電壓跟隨器在提高激勵信號驅(qū)動能力的電路中使用的條件。通過分壓電阻R2、R3使激勵信號電壓范圍處于叉指電極安全范圍內(nèi)。由于分壓后運算放大器輸出電阻已經(jīng)變?yōu)镽2//R3=5 kΩ,需要通過后級電壓跟隨器提高經(jīng)過分壓的激勵信號的驅(qū)動能力。輸出的激勵信號通過分壓電路與電壓跟隨器后的電壓最大值Vsi為

(5)

2.3 電導率測量電路設計

電導率測量電路由程控增益跨阻放大電路與限幅電路構(gòu)成,其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 電導率測量處理電路

激勵電極上的2.50 V單極性方波,可以分解為1.25 V直流電壓疊加了峰峰值為2.50 V的交流雙極性方波。考慮在參考電極施加1.25 V直流電壓,這樣兩電極具有相同的電位,由此可以解決單極性激勵信號引起的電極極化問題。其中1.25 V直流電壓由RS432產(chǎn)生2.50 V基準電壓,經(jīng)過精度為千分之一的電阻R5與R6分壓產(chǎn)生。激勵信號作用在叉指電極產(chǎn)生電流Isol,輸入至后級跨阻放大器進行I/V轉(zhuǎn)換。

由于RS8521擁有10 pA輸入偏置電流,在進行I/V轉(zhuǎn)換時即使增益過大也不會對輸出產(chǎn)生過大的影響。增益控制電路使用軌至軌四通道的模擬開關(guān)ADG1604,ADG1604的導通電阻為1 Ω,反饋電阻R7、R8、R9、R10使用精度為千分之一的電阻,通過嵌入式控制器引腳PB1與PB2對反饋電阻進行選擇。最終輸出電壓最大值Vsol為

Vsol=Isol·Rfb+1.25

(6)

式中:Rfb為反饋電阻;Vsol為跨阻放大器輸出電壓。

由上述公式可以計算出經(jīng)過叉指電極的電流Isol,與已知的Vsi進行計算可得出電極間的等效電阻:

(7)

經(jīng)過跨阻放大器放大后的電流信號已經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號,通過分壓電路對電壓信號進行限幅處理,最終由微控制器采集信號并計算。

2.4 溫度測量電路

通過MEMS工藝制作的溫度傳感器集成在叉指電極上,本設計使用電橋來對溫度進行測量。圖7為溫度測量電路原理圖,使用電壓基準源RS432作為電橋的電壓源,電阻R13、R14、R15的精度為千分之一。圖中電橋的兩個輸出端Vin1與Vin2通過運算放大器提高輸入電阻:

(8)

(9)

圖7 溫度測量電路原理圖

采用高輸入阻抗、低偏置電流的TP2302組成電壓跟隨器,后級通過RS8551對電橋兩端的直流電壓進行差分放大,同時在反饋電阻R21兩端并聯(lián)電容C23構(gòu)成低通濾波器對信號進行第一級濾波。通過RS8551放大后的輸出為

(10)

Vout通過R22與C20組成的低通濾波器輸入至嵌入式微控制器端口PA0采集,通過計算得出溶液的溫度。

3 電導率變送器軟件設計

電導率變送器軟件設計從生產(chǎn)和運行角度可以劃分為校準模式和電導率測量模式。電導率校準模式用于傳感器出廠前的標定和校準,電導率測量模式主要實現(xiàn)傳感器正常運行時電導率測量和數(shù)據(jù)傳輸。傳感器上電后首先判斷是否已校準,若沒有校準則進入校準模式;若已校準,則判斷有沒有收到校準指令,若收到校準指令則進入校準模式,否則進入電導率測量模式。

3.1 校準程序設計

校準程序用于鉑電阻校準和叉指電極的電極常數(shù)校準。由于微納叉指電極、鉑電阻以及電路元件的離散性,在傳感器投入使用前以及使用期間都需要對傳感器進行必要的校準和標定。針對電導率變送器的應用特性,本設計采用軟件校準方式,通過CAN總線向微控制器發(fā)送傳感器校準指令,分別進行鉑電阻校準與叉指電極的電極常數(shù)校準。校準程序流程圖如圖8所示。

圖8 校準程序流程圖

電導率變送器上電初始化后,根據(jù)校準指令進入校準模式。首先進行鉑電阻校準,采用兩點校準方法,選取0 ℃冰水混合物與50 ℃純水進行標定,鉑電阻校準結(jié)束后取出傳感器使用酒精清洗。叉指電極的電極常數(shù)校準使用5.16 μS/cm與19.76 μS/cm標準溶液在25 ℃恒溫槽中進行。校準完成后將完成標志存入內(nèi)存地址,通過CAN總線發(fā)送指令,變送器復位退出校準模式。

3.2 溫度補償算法

溶液的溫度變化會影響溶液實際的電導率,為比較不同溫度下溶液電導率,通常將溶液電導率規(guī)定為25 ℃下溶液電導率。因此實際電導率測量必須進行溫度補償,通過溫度補償使不同溫度的溶液的電導率具有可比性。常用的校正溫度系數(shù)公式為

KS=KT/(0.018 9T+0.528)

(11)

式中:KS為25 ℃時的標準電導率;KT為當前溫度下的實時電導率;T為當前測量溫度。

通過大量實驗發(fā)現(xiàn)溶液電導率受高溫與低溫影響嚴重,在-20～10 ℃與40～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi),電導率變化與溫度變化成非線性關(guān)系。為了使溶液電導率在-20～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi)補償后的電導率更加接近25 ℃下的溶液電導率,使用分段補償方式對溶液電導率進行溫度補償,以下為溶液在不同溫度下的補償算法:

KS=KT/(0.019 6T+0.510),-20 ℃

(12)

KS=KT/(0.021 6T+0.460),-10 ℃

(13)

KS=KT/(0.023 5T+0.413),0 ℃

(14)

KS=KT/(0.024 1T+0.397),10 ℃

(15)

KS=KT/(0.018 9T+0.528),20 ℃

(16)

KS=KT/(0.029 0T+0.275),30 ℃

(17)

KS=KT/(0.030 0T+0.250),40 ℃

(18)

KS=KT/(0.031 0T+0.225),50 ℃

(19)

KS=KT/(0.034 0T+0.150),60 ℃

(20)

KS=KT/(0.035 0T+0.125),70 ℃

(21)

KS=KT/(0.036 0T+0.100),80 ℃

(22)

3.3 電導率測量程序設計

微控制器復位后讀取內(nèi)存地址,若完成校準則進入運行模式。運行模式中先對溶液溫度進行測量,待溶液溫度測量結(jié)束后測量當前溫度下電極電流并計算電導。測量結(jié)束后根據(jù)溶液溫度進行電導率的溫度補償,最后通過CAN總線上傳溶液電導率與溫度數(shù)據(jù)。運行模式流程如圖9所示。

圖9 運行模式程序流程圖

4 電導率變送器測試

電導率變送器測試分為校準模式測試與運行模式測試。校準模式測試中使用到恒溫槽、0 ℃冰水混合物、電導率標準溶液。運行模式使用-40～120 ℃冷卻液循環(huán)恒溫箱與比亞迪新能源汽車冷卻液。使用測量精度為0.02級的宇電AI-5600高精度測溫儀對測試中需要測溫的部分進行對照試驗。

4.1 電導率變送器校準

鉑電阻校準需要準備50 ℃恒溫水浴槽及200 mL的0 ℃冰水混合物,將電導率變送器放入0 ℃冰水混合物中靜置一段時間,通過CAN總線發(fā)送指令進行0 ℃校準,待校準完成后取出并使用酒精清洗。清洗完成后將傳感器放入50 ℃恒溫槽中靜置一段時間,發(fā)送校準指令后進行校準,校準完成后嵌入式微控制器計算鉑電阻溫度系數(shù),取出清洗后靜置等待叉指電極校準。

叉指電極校準需要在恒溫水浴槽中進行,實驗開始時設定恒溫槽溫度為25 ℃,將3種電導率分別為5.16、9.31、19.76 μS/cm的標準溶液放入恒溫槽中靜置。

待標準溶液溫度穩(wěn)定后,使用電導率為5.16、19.76 μS/cm的標準溶液按照3.1小節(jié)所述方法對叉指電極進行校準和標定。測量9.31 μS/cm標準溶液的電導率值來驗證校準完成后的傳感器測量準確度是否達到要求。其中25 ℃下不同電導率標準溶液測量數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 電導率變送器測試

測試過程中,使用冷卻液循環(huán)恒溫箱控制溶液溫度在-20～90 ℃,使用高精度溫度測量儀與鉑電阻同時測量溶液溫度。高精度測溫儀直接讀出溶液溫度,鉑電阻溫度數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳至上位機,溫度測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溶液溫度測量數(shù)據(jù) ℃

鉑電阻溫度測試結(jié)束后進行電導率變送器整體測試,使用的低電導率溶液為比亞迪新能源汽車冷卻液,該冷卻液在25 ℃時的電導率為2.16 μS/cm。

設置冷卻液循環(huán)恒溫箱的溫度,對溫度區(qū)間(-20～90 ℃)內(nèi)的新能源汽車電池冷卻液的電導率進行測量,不同溫度下的電池冷卻液電導率與溫度測量數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 2.16 μS/cm電池冷卻液電導率不同溫度下測量數(shù)據(jù)

其中造成-19.60 ℃下溶液電導率相對誤差較高的原因是溶液在低溫下電導率降低,2.16 μS/cm的冷卻液電導率降低至極低水平,測量時會存在誤差。

向比亞迪新能源汽車電池冷卻液中添加KCL使冷卻液電導率發(fā)生改變,將添加后的冷卻液放入25 ℃恒溫槽中,待溶液穩(wěn)定后對溶液電導率進行測量,此時冷卻液的電導率為18.85 μS/cm。將電導率為18.85 μS/cm的冷卻液放入冷卻液循環(huán)恒溫箱進行測試,測試結(jié)果如表4所示。

表4 18.85 μS/cm電池冷卻液電導率不同溫度下測量數(shù)據(jù)

由于電導率變送器需要長時間放置在溶液中且持續(xù)工作,為了驗證電導率變送器的穩(wěn)定性,本設計對溫度為65 ℃、電導率為10.55 μS/cm的比亞迪新能源汽車冷卻液進行長時間測量,測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 10.55 μS/cm電池冷卻液電導率穩(wěn)定性測試

5 結(jié)論

本文提出并設計了一種用于監(jiān)測電動汽車電池冷卻液的電導率變送器。電導率變送器使用基于MEMS工藝的叉指電極與蛇形薄膜鉑電阻作為敏感元件,通過電導率測量電路與溫度測量電路對溶液的電導率與溫度進行測量,最終通過CAN總線將電導率與溫度數(shù)據(jù)上傳至上位機。測試結(jié)果表明:電導率變送器可以對-20～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi)低電導率的電池冷卻液進行有效測量且滿量程誤差為±1.5%,鉑電阻溫度在-20～90 ℃區(qū)間內(nèi)誤差小于0.5 ℃。電導率變送器穩(wěn)定性測試表明:在長時間工作狀態(tài)下,電導率變送器仍然可以對電池冷卻液電導率與溫度進行有效測量。因此,本文所提出的電導率變送器在低電導率電池冷卻液電導率測量方面具有較強的競爭力。