任志剛

（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710055）

截至2014年，中國(guó)的汽車(chē)保有量已達(dá)2.64億輛。普通中國(guó)百姓越來(lái)愈多的感受到了汽車(chē)帶來(lái)的方便，同樣隨著汽車(chē)的普及，石油進(jìn)口的高度依賴(lài)、汽車(chē)尾氣污染等的問(wèn)題日益凸顯。這讓國(guó)家不得不重新審視汽車(chē)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的合理性。在2015年中國(guó)政府發(fā)布的《中國(guó)制造2025》的戰(zhàn)略行動(dòng)綱領(lǐng)中，節(jié)能與新能源汽車(chē)成為9大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。在新能源汽車(chē)中，混合動(dòng)力，燃料電池，純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式三足鼎立，尤其是純電動(dòng)汽車(chē)，以其特有的“0”排放成為汽車(chē)界的新寵。如2013年美國(guó)特斯拉汽車(chē)公司高調(diào)進(jìn)入中國(guó)，使得純電動(dòng)汽車(chē)更多地被中國(guó)百姓接受。特別是特斯拉的強(qiáng)大的加速性能和令人驚嘆的扭矩輸出，我們對(duì)其堪稱(chēng)心臟的動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)更加關(guān)注。

動(dòng)力鋰離子電池因其較高的能量密度，高放電倍率成為純電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能的首選，同樣因?yàn)閱误w容量限制，應(yīng)用時(shí)都采用了電池成組加電池管理系統(tǒng)（BMS）對(duì)通過(guò)串并聯(lián)進(jìn)系統(tǒng)的單體電池進(jìn)行充放電管理。這樣單體鋰離子電池的一致性問(wèn)題成為影響動(dòng)力電池包乃至成品純電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵。因此，本文針對(duì)對(duì)成品品質(zhì)影響較大的電極材料涂布環(huán)節(jié)入手，針對(duì)涂布后及烘干后的電極材料的厚度及克重進(jìn)行測(cè)量，收集單體電池充填材料的質(zhì)量信息，為后期封裝，以及分選。成組提供準(zhǔn)確的品質(zhì)參考依據(jù)；確保整組后的動(dòng)力鋰離子電池具有相對(duì)穩(wěn)定的一致性。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)這類(lèi)型厚度測(cè)量方法的得到的動(dòng)力鋰離子電池包具有較好的一致性，使用壽命也有所提高。

1 動(dòng)力鋰離子電池生產(chǎn)線(xiàn)介紹

動(dòng)力鋰離子電池生產(chǎn)制造過(guò)程分為：材料驗(yàn)收、稱(chēng)重、攪拌、涂布、干燥、壓整、切割、堆放、充液、封裝、充放電、老化、出廠(chǎng)等一系列工序，其中還包括為制造過(guò)程提供動(dòng)力的供電，供氣，及純化水提供設(shè)備，此外潔凈環(huán)境的空調(diào)及過(guò)濾等的輔助系統(tǒng)，正果生產(chǎn)工序如圖1所示。

圖1 鋰電池制造過(guò)程

2 動(dòng)力鋰離子電池結(jié)構(gòu)

鋰電池主要由正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液等構(gòu)成。動(dòng)力鋰離子電池所用正極材料，因考慮比容量，循環(huán)壽命，工作溫度，安全性能，放電倍率等因素主要為磷酸鐵鋰，錳酸鋰，鈷酸鋰及三元材料等幾種材料。并且正極材料的性能直接影響了鋰電池的各項(xiàng)性能指標(biāo)。負(fù)極材料常用碳負(fù)極，如石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹(shù)脂碳等，近期碳納米管等納米材料也開(kāi)始應(yīng)用在負(fù)極材料上。隔膜是關(guān)鍵的內(nèi)層組件之一。隔膜的性能決定了電池的界面結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池的容量、循環(huán)以及安全性能等特性。性能優(yōu)異的隔膜對(duì)提高電池的綜合性能具有重要的作用。隔膜材質(zhì)是不導(dǎo)電的，其物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)電池的性能有很大的影響，如圖2所示。

圖2 鋰離子電池的構(gòu)造

3 動(dòng)力鋰離子電池PNGV等效電路模型及精度誤差分析

由于鋰離子動(dòng)力電池的等效電路模型并不唯一，且考慮到純電動(dòng)汽車(chē)負(fù)載時(shí)刻處于變化狀態(tài)，故選用一種能描述電池動(dòng)態(tài)電流充放電特性的電池模型PNGV模型。PNGV電池等效模型為電阻、電容所構(gòu)成。PNGV模型屬于低階模型，但比簡(jiǎn)單的一階模型、Thevenin模型、RC模型精度高。圖3所示的PNGV模型是根據(jù)2001年美國(guó)能源部《PNGV電池試驗(yàn)手冊(cè)》中的標(biāo)準(zhǔn)電池模型。模型中Uco為理想電壓源，表示電池的開(kāi)路電壓；Ro為歐姆內(nèi)阻，Rp為極化內(nèi)阻，Cp為極化電容；Ip為極化電阻上的電流；電容Cb描述負(fù)載電流的時(shí)候累計(jì)產(chǎn)生的開(kāi)路電壓變化。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)PNGV等效電路模型

特別是對(duì)于動(dòng)力鋰離子電池包而言，成組時(shí)的各個(gè)單體的歐姆內(nèi)阻，極化內(nèi)阻，極化電容等的差異性是影響成組后電池包特性及使用壽命的主要原因。如何有效減小單體電池各個(gè)參數(shù)的差異，提高其一致性是各個(gè)動(dòng)力用鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)的一個(gè)課題。

4 提高一致性的一種方法-涂布量同步測(cè)量

4.1 涂布量測(cè)量原理

在鋰離子電池生產(chǎn)制造過(guò)程中，我們通過(guò)監(jiān)測(cè)單個(gè)電池中的正極/負(fù)極材料的涂敷量的多少，及對(duì)隔膜材料的薄厚，追溯電池在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的誤差產(chǎn)生；評(píng)估成組前單個(gè)電池特性、及對(duì)其進(jìn)行分選。具體做法如圖4所示。在烘干箱及壓整工序完成后，架設(shè)涂布量測(cè)量機(jī)架，通過(guò)機(jī)架上搭載的傳感器探頭對(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量。

圖4 涂布量測(cè)量機(jī)架設(shè)定位置

4.2 涂布量測(cè)量傳感器

電池電極的正負(fù)極材料的特性完全不同。為了正確地測(cè)量，我們根據(jù)其的特性，需要選擇合適的傳感器。如 β 射線(xiàn)傳感器：85Kr 15.54GBq，37GBq；90Sr 0.74GBq或3.7 GBq等；X射線(xiàn)傳感器：高功率型15，25 kV（適用于EV電池），具體如表1所示。

表1 X/β射線(xiàn)對(duì)被測(cè)材料的感度對(duì)比（正極以鈷酸鋰為例）

4.3 測(cè)量原理

以β射線(xiàn)傳感器為例，如圖5所示，面密度或厚度值是通過(guò)放射性同位素釋放出的β射線(xiàn)經(jīng)過(guò)被測(cè)材料后的衰減量求出被測(cè)材料的面密度或厚度值（需換算）公式以及標(biāo)準(zhǔn)化采樣結(jié)果的公式。求出的是以自然數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)。

圖5 β射線(xiàn)傳感器構(gòu)造

式中，

Io為通過(guò)被測(cè)材料后的β射線(xiàn)強(qiáng)度；

I為通過(guò)被測(cè)材料前的β射線(xiàn)強(qiáng)度；

My為被測(cè)材料后的質(zhì)量吸收系數(shù)（m2/g）；

Ib快門(mén)關(guān)閉時(shí)強(qiáng)度數(shù)值；

標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量時(shí)，IAo為快門(mén)打開(kāi)時(shí)強(qiáng)度數(shù)值；IBo為快門(mén)關(guān)閉時(shí)強(qiáng)度數(shù)值。

為了方便度量，我們將標(biāo)準(zhǔn)化后的采樣結(jié)果按照實(shí)際需求進(jìn)行N等分，并將相鄰兩點(diǎn)線(xiàn)性化，就得出了通過(guò)被測(cè)材料后β射線(xiàn)的衰減量與實(shí)際輸出值的一組線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系（因篇幅關(guān)系省略其他校正系數(shù)等的說(shuō)明）。如圖6所示。

圖6 指數(shù)函數(shù)相鄰區(qū)間線(xiàn)性化

同時(shí)，經(jīng)過(guò)各種參數(shù)修正后的β射線(xiàn)傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出，將環(huán)境溫度，濕度，被測(cè)物振動(dòng)等擾動(dòng)因素所帶來(lái)的干擾降至最低，實(shí)現(xiàn)了精確的輸出結(jié)果再現(xiàn)能力。經(jīng)過(guò)各種參數(shù)修正后的85Kr和90Sr的β射線(xiàn)傳感器的測(cè)量性能及規(guī)格如下，如表2所示。

4.4 電極材料厚度測(cè)量系統(tǒng)介紹

電極材料厚度測(cè)量系統(tǒng)由機(jī)架及搭載X/β射線(xiàn)傳感器單元、測(cè)量工程師站、測(cè)量操作員站、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、及測(cè)量總線(xiàn)以太網(wǎng)等五部分組成（多機(jī)架控制時(shí)還有同步控制單元及同步控制以太網(wǎng)等）。通過(guò)各個(gè)單元的協(xié)同實(shí)現(xiàn)了電極材料厚度的在線(xiàn)實(shí)時(shí)采樣，厚度結(jié)果的信息傳輸，單點(diǎn)厚度或數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的品質(zhì)分析，及數(shù)據(jù)曲線(xiàn)的存儲(chǔ)等諸多功能。同時(shí)通過(guò)系統(tǒng)防火墻還可將信息傳輸?shù)狡髽I(yè)中央控制室或企業(yè)云端做進(jìn)一步的存儲(chǔ)及分析。此外，針對(duì)動(dòng)力用鋰離子電池容量大，一致性要求高等的特點(diǎn)，電極材料的涂布厚度測(cè)量也采用了烘干箱兩端分別架設(shè)機(jī)架傳感器進(jìn)行同步測(cè)量的方法?？紤]到多機(jī)架傳感器同步測(cè)量的需求及精度要求，我們架設(shè)了同步控制以太網(wǎng)及同步控制單元；在多個(gè)機(jī)架之間，共享實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)及涂布機(jī)運(yùn)行速度、各個(gè)機(jī)架的健康狀況等參數(shù)，如圖7所示。構(gòu)成部分的簡(jiǎn)單功能介紹如下：

（1）機(jī)架控制器：負(fù)責(zé)接收X/β射線(xiàn)傳感器及輔助傳感器的采樣數(shù)據(jù)；運(yùn)行實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)的各種參數(shù)校正；監(jiān)控機(jī)架系統(tǒng)的健康。

（2）測(cè)量工程師站：設(shè)定系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)；操作及控制系統(tǒng)的各個(gè)單元；整定并調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)；監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)的健康等。

（3）測(cè)量工程師站：監(jiān)視系統(tǒng)的各個(gè)單元，及健康狀態(tài)。

（4）數(shù)據(jù)曲線(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)：收集機(jī)架傳感器的采樣數(shù)據(jù)生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中按時(shí)序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)。

（5）同步控制單元（同步測(cè)量用）：共享實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)及涂布機(jī)運(yùn)行速度、傳感器走行速度、各個(gè)機(jī)架的健康狀況等參數(shù)。

4.5 同步測(cè)量

同步測(cè)量針對(duì)動(dòng)力用鋰離子電池容量大，一致性要求高等的特點(diǎn)，電極材料的涂布厚度測(cè)量也采用了烘干箱兩端分別架設(shè)機(jī)架傳感器進(jìn)行測(cè)量的方法。我們通過(guò)敷設(shè)專(zhuān)用同步控制以太網(wǎng)及引入專(zhuān)用控制器；在多個(gè)機(jī)架之間，共享機(jī)架間實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)處理涂布機(jī)運(yùn)行速度、傳感器頭走行速度、各個(gè)機(jī)架的健康狀況等參數(shù)，如圖8所示。其中為了能讓機(jī)架1與機(jī)架2的傳感器頭運(yùn)行軌跡的軌跡重合，我們分解傳感器頭運(yùn)動(dòng)軌跡，形成橫向和縱向兩個(gè)分軌跡。并對(duì)他們運(yùn)行分速度分別干預(yù)，使其能夠與上游機(jī)架1的軌跡完全重合，以便對(duì)干燥前后的同一點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣分析。同步開(kāi)始時(shí)間設(shè)定如下：

橫向同步開(kāi)始延遲時(shí)間=（基準(zhǔn)機(jī)架的位置

縱向同步開(kāi)始延遲時(shí)間=（基準(zhǔn)機(jī)架的位置

圖8 電極材料厚度測(cè)量系統(tǒng)的組成

經(jīng)后期多次測(cè)試，實(shí)際交付國(guó)內(nèi)某公司的測(cè)量系統(tǒng)的各個(gè)機(jī)架間同步精度達(dá)到了100 ms，機(jī)架傳感器頭的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到了最快7 s等的最終結(jié)果。X/β射線(xiàn)傳感器單元在高速運(yùn)行狀態(tài)下依然保持著規(guī)格范圍內(nèi)的穩(wěn)定采樣輸出。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)電極材料的涂布厚度測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器的優(yōu)化，同步測(cè)量方法的導(dǎo)入，使該系統(tǒng)為動(dòng)力鋰離子電池制造工藝檢測(cè)提供了精確的測(cè)量輸出，也為后續(xù)動(dòng)力鋰離子電池在的分選成組提供了可追溯的品質(zhì)依據(jù)，最終使得成品的一致性得到有效提高。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.中國(guó)制造2025[Z].2015.

[2]US Department of Energy.PNGV Battery Test Manual，Revision3[M].Washington，USA:US Department of Energy，2001:D-4.

[3]任志剛.橫河電機(jī)EV Battery解決方案介紹中國(guó)電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池系列技術(shù)沙龍第一講[M].2011.

[4]橫河電機(jī)株式會(huì)社.WEBFREX3鋰離子電池解決方案[R].2011.

[5]橫河電機(jī)株式會(huì)社.β射線(xiàn)傳感器說(shuō)明書(shū)[R].2010.