动力电池内部视电阻率三维测量装置设计

洪晓斌　李年智　谢烁熳　刘桂雄

摘要：针对动力电池安全性能在线检测发展趋势，提出基于电阻层析成像的动力电池内部视电阻率三维测量新技术，开发动力电池内部视电阻率三维测量装置。该装置采用双微控制器与PC机复合架构，控制产生增益可调的双极性脉冲电流，并通过三维传感阵列模型对电池进行激励测试。试验证明：测量装置具有良好的重复性，重复测量误差可控制在0.206%0以内，PC机软件成像效果稳定，可为动力电池内部局部温度异常预警、隔膜结构变形检测等在线安全性能检测研究奠定基础。

关键词：视电阻率；三维传感模型；四电极伏安法；动力电池

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2015）01-0061-05

0引言

动力电池具有高能量密度和长循环使用寿命等优越性能，已成为最具发展前景和竞争力的新能源产业之一；然而，其使用过程中的安全性问题制约了动力电池快速发展，急需加大力度重点研究突破。目前，动力电池不同性能检测已成为研究热点，如利用充放电特性研究极片材料的放电率，研究电化学热特性探索动力电池内部产热机理，通过检测内阻预测动力电池寿命老化程度，以及测量剩余容量究动力电池充放电特性及内阻的影响等。传统检测方法主要为离线检测模式，而目前动力电池在使用过程中由于操作不当等原因容易造成鼓包、漏液甚至爆炸等安全问题；因此，急需寻找新的有效检测方法对动力电池内部健康状态进行在线评估。

电阻层析成像作为一种基于高密度电阻率法的探测方法，已广泛应用于地质及环境监测、两相管流的监测等领域。其中，视电阻率作为主要的测量参数能够完整反映被测对象内部介质构成，方便进一步分析被测对象的即时健康状态。动力电池结构复杂，主要由正负电极、隔膜、电解液、极柱和外壳等组成。视电阻率能够很好地表征动力电池内部材料的物理特性，与动力电池特性有着密切联系。一方面，视电阻率随动力电池内部材料特性变化而变化，同时，电池内部复杂的结构组成使其内部视电阻率呈不规则分布；另一方面，动态指标剩余容量与内阻的变化预示着正负极材料老化、电解液浓度减小，这些材料特性的变化间接影响视电阻率；因此，对动力电池内部视电阻率变化进行实时监测具有广阔的应用前景。

本文作者前期提出基于电阻层析成像的动力电池内部视电阻率测量方法，探索性研究了基于二维检测模式的动力电池内部视电阻率分布规律，该方法能够提供丰富、直观的电池视电阻率剖面反演图像。然而，二维检测模式尚不能对测线短、厚度深的动力电池内部区域的视电阻率进行全区域探测。作者发现，采用三维全方位探测方法来获悉动力电池内部视电阻率，能够很好地克服二维测量模式的不足，其中，三维视电阻率测量装置是整个探测方法的核心。三维视电阻率测量需要更高的分辨率、稳定性以及实时性，本文结合锂离子动力电池的结构特点，研发了一套针对动力电池内部三维视电阻率测量装置。该装置能够对动力电池的内部特性状态进行即时评估，并可进一步应用于动力电池的安全性能、寿命老化等方面研究。

1动力电池内部视电阻率测量原理

视电阻率一般通过四电极伏安法测得，工作原理如图1所示。在A、M、N、B4个横向排列的电极阵列中，A、B两电极作为激励电极，通过激励脉冲电流信号作用，在电池内部形成电场；M、N两电极作为测量电极，感知两点的电势差信息，所得电势差可进一步换算得到相应点的视电阻率，这样可获取一个位置的视电阻率信息。为了尽可能获取电池内部不同区域的信息，电极片阵列会布置在电池表面，每次测量—个内部位置，只需选中表面相应4个电极进行测试，切换至其他4个电极片，又可获取电池内部其他位置的视电阻率信息。获取电池内部大多数位置的视电阻率后，通过图像重建算法，可以重建出动力电池内部视电阻率分布。

2动力电池内部视电阻率三维测量装置架构

2.1装置组成结构

动力电池内部三维视电阻率测量装置基于模块化方式，采用双微控制器与PC机复合结构，如图2所示。

上行微控制器主要负责对不同模块发出控制命令，下行微控制器则负责信号采集及调理、时序同步以及与PC机的实时通信，上/下微控制器可相互通信确保激励信号时序与信号采集时序同步。PC机用于支撑软件系统的运行，处理试验数据并完成图像反演处理，并对试验结果进行保存。在主要硬件模块中，激励信号产生模块能够产生所需的激励电流脉冲，使电池内部产生稳定电场；电极选通模块又分为激励电极选通开关和测量电极选通开关，分别完成对激励电流脉冲信号和被测电压信号的传导；三维传感阵列模型由小型铜片电极阵列组成，在试验中与电池表面直接贴合，能够在激励脉冲信号的作用下形成电场。

2.2三维传感阵列模型

为获取整个电池内部各位置视电阻率分布，动力电池视电阻率测量装置采用三维传感阵列模型增大探测范围。在传统工业领域，传感阵列中的电极主要采用铜和不锈钢制成的矩形电极片，安装时直接嵌入被测对象表层，对被测对象会产生损伤。针对动力电池这一特殊对象，设计中选用铜电极片与电池表面紧密贴合，防止对电池体产生损伤，进而避免发生短路等危险。

一般三维传感模型阵列的电极片数量较多，需要大量线缆与硬件系统连接，使整个平台庞大复杂，特别针对体积小、横截面积有限的动力电池，使用大量线缆不仅增加电极片固定的难度，而且成本更高。设计中以5x5矩形排列的电极片面阵列作为基础模型，采用软性电路板FPC代替传统线缆，集成电极片与硬件系统的所有线路，将电极片直接焊接在软性电路板上，最后通过接插件将FPC与硬件电路连接。如图3所示，采用两个FPC构成5x10阵列模型，可覆盖电池整个矩形表面。该模型不仅节省空间而且方便电极片安装，大大降低成本。由于FPC电路板具有厚度薄、重量轻的特点，即使应用到电池组内部，也不会占用额外空间。

3装置核心电路设计

3.1微控制器

微控制器是整个测量装置的核心，不仅控制各硬件模块发挥特定功能，还需同PC机进行实时数据传递。本部分主要采用单片机作为微控制器，考虑到电极选通模块需要大量的命令信号，同时激励信号产生模块需要增益控制，加上与PC机的实时通信，设计中采用IT公司的微功耗混合数字处理器MSP430F169，构成双微控制器架构；上/下行微控制器协同工作能够大大提高工作效率，其中下行微控制器与PC机异步串行通信速率可到921.6kb/s。

3.2激励信号产生模块

激励信号产生模块主要用于产生双极性脉冲电流信号。采用这种激励方式能在测量电极对时得到一个接近完美的方波信号，并且可以省去复杂的后续滤波，同时在实时性方面也得到较大改善。

如图4所示，系统采用微控制器控制DAC芯片产生频率可调的脉冲电压信号Vs，在基准电压Vr作用下，经过由可编程仪用放大器与精密运算放大器构成的电压/电流转换电路，即可产生高精度增益可调的脉冲电流信号。设计中采用DAC0808作为脉冲电压源，其芯片建立时间为150ns；采用PGA203作为仪用放大器，与精密高速集成运放AD711构成电压/电流转换电路，只需要一个固定电阻即可得到所需的双极性脉冲电流信号，其信号幅值可进一步通过单片机MSP430编程控制PGA203的放大倍数来实现。

3.3电极选通模块

与二维传感阵列不同，三维传感阵列中电极片以面阵列的形式在电池表面分布。不仅电极片数量大幅度增加，而且测量过程中电极片的切换更加复杂，包括行/列内的电极切换以及行/列间的切换。三维传感阵列模型中采用5x10电极阵列，要求选通模块能够在50个电极片中选通任意行/列的4个电极片作为工作电极进行激励测量。设计中选用MAXIM公司的MAX396芯片作为选通开关，它是16选1高速CMOS模拟开关芯片，芯片的导通电阻为100Ω，漏电流为0.75nA，可以满足系统中横向10个电极的高速切换。此外，当在行/列间切换时，则需额外4片MAX396组成二级选通，保证某一行/列测量结束时，迅速切换至下一行/列扫描。

3.4信号调理模块

信号调理模块主要由前级放大电路、工频滤波电路、次级放大电路以及模数转换电路构成。测量电极能感应微弱的电压信号，通过前级放大电路初次放大后，需进一步消除工频干扰信号，滤波后还需经过次级放大电路处理得到适合模数转换工作范围的电压信号，基本原理如图5所示。

采用仪用放大器INA114作为两级放大电路的核心器件，两次放大倍数为1～10⁸；为防止工频噪声干扰，采用工频陷波器F42N50能够保证信号无损滤波；模数转换器采用分辨率12bit的MAX120芯片，1.6μs的转换时间能快速将模拟信号转化为可读取的数字信号，对硬件系统的整体实时性有很大提高。

4装置软件系统设计

4.1微控制器程序设计

微控制器程序设计主要包括系统主处理程序、电极选通程序、激励信号产生程序、增益自动控制程序、A/D转换控制程序和串口通信程序设计。其中，系统主处理程序主要完成单片机初始化、激励信号的循环激励；电极选通程序主要完成激励/测量电极对的实时切换功能；激励信号产生程序使D/A转换产生周期性脉冲电压信号；增益自动控制程序负责双极性脉冲电流的幅值调节；A/D转换控制程序首先需要与激励信号源进行同步，然后实现模拟信号的实时转换功能；串口通信程序完成下行微控制器与PC机的数据传输和接收控制命令等功能。系统的总体设计流程如图6所示。

4.2PC机软件设计

上位机PC功能包括两个方面：1）将电压数据经过公式运算处理转换为视电阻率数据；2）将得到的视电阻率数据通过适当的反演算法完成图像反演重建。反演程序主要采用抑制平滑度最小平方法，该算法能够快速准确反演完成电池内部视电阻率剖面图像。程序反演中采用均方根误差RMS来度量视电阻率与测量电阻率值之间差异。

5装置性能测试

动力电池内部的三维视电阻率测量装置试验平台如图7所示，实验对象为磷酸铁锂动力电池，尺寸140mmx65mmx18mm。为保证电极片与电池表面紧密贴合，试验中采用F夹进行固定。电极片为直径5mm，厚度0.6mm的圆形铜电极片。FPC上电极片中心间距12mm。为评估系统性能，试验中主要对系统的重复性以及图像反演效果进行了评估。

5.1重复性试验

试验中，环境温度为常温29℃，双极性脉冲电流幅值设定为1mA，幅值增益为1。试验采用温纳激励策略，横向10个电极共测得11个数据点，纵向5个电极共2个数据点，50个电极共产生75个数据点，测试过程中每个点重复测试18次。电压数据经过换算得到视电阻率值，结果如表1所示，可知系统18次测量结果得到的视电阻率值稳定，均方差最大为0.206‰，能够满足实际测量需求。

5.2图像反演效果

以重复性试验中的实测数据为基础，取各点平均值，采用抑制平滑度最小平方法对视电阻率进行图像反演重建，得到动力电池内部视电阻率分布。图8为算法3次迭代反演效果图，动力电池内部三维视电阻率分布图像从z轴方向（电池厚度的方向）被分解为3个横截面，x方向和y方向分别为电池的长宽方向，即3幅图像分别描述了动力电池不同深度方向上横向截面的视电阻率分布。图8（a）描述了电池厚度0-0.6cm范围内的视电阻率剖面图，可以看出电池表层视电阻率色带值偏低，电解液浓度稀少，外壳和电极材料也会使视电阻率偏低；图8（b）描述了电池中间层剖面分布，色带值比较平稳；而图8（c）中，底层剖面色带值偏高，主要原因是受绝缘隔膜影响，其次电流密度的衰减也会对其产生一定影响。3次迭代反演误差为1.0%，反演效果稳定，能够对动力电池内部的视电阻率分布做出有效评估。

6结束语

本文成功开发了一套动力电池内部三维视电阻率测量装置。该装置采用双微控制器作为核心，以PC机为主机结构，设计三维传感阵列模型作为载体，能够有效实现对动力电池内部电阻率的实时测量。试验结果表明：设计的测量装置能够稳定运行，重复测量误差能够控制在0.206%0以内，PC机图像反演效果稳定，误差仅为1%，能够满足实际测试需求。此外，本装置可进一步应用于动力电池组内部视电阻率场测量，对动力电池的安全防护、寿命预测及隔膜结构收缩变形检测等方面具有指导作用。