劉振國(guó)，肖思哲

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

在國(guó)家“十四五”發(fā)展規(guī)劃中明確提出[1]，要聚焦新能源、新能源汽車等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，提升制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，突破新能源汽車高安全動(dòng)力電池、高效驅(qū)動(dòng)電機(jī)、高性能動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)。動(dòng)力電池作為新能源汽車的“心臟”，其能量密度和循環(huán)充放電壽命是業(yè)界一直關(guān)注的核心指標(biāo)。電芯作為構(gòu)成動(dòng)力電池包（PACK）的最小單元，電池包開路電壓的特性取決于電芯的串聯(lián)成組情況，電池包內(nèi)部容量大小取決于電芯的并聯(lián)情況。但由于單體電芯在生產(chǎn)過程中無法做到參數(shù)絕對(duì)一致，所以如何對(duì)單體電芯進(jìn)行準(zhǔn)確分檔與高效配組成為業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的問題。

眾所周知，電池內(nèi)阻作為可直觀反映其功率性能的重要參數(shù)[2]，是電池生產(chǎn)過程中需要監(jiān)測(cè)的重要一環(huán)，主要包含交流內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。其中，交流內(nèi)阻主要受電池內(nèi)部材料、電解液接觸等因素影響，在使用過程中幾乎不會(huì)發(fā)生變化，可以較為直觀的反應(yīng)電池生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題。而極化內(nèi)阻主要因電池放電過程中電解液化學(xué)反應(yīng)引起，會(huì)隨著電池使用時(shí)間的增加而變化，進(jìn)而可以反映電池的老化情況。本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)主要檢測(cè)電池生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題，故主要檢測(cè)電芯的交流內(nèi)阻，從而驗(yàn)證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和開路電壓是否符合工藝要求。

為解決單體電芯參數(shù)的在線檢測(cè)問題，參照2017年發(fā)布的《JJF 1620-2017電池內(nèi)阻測(cè)試儀標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[3]，本文搭建了一套專用于汽車動(dòng)力電池單體電芯電壓與內(nèi)阻的專機(jī)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)主要構(gòu)成

本文構(gòu)建的檢測(cè)專機(jī)系統(tǒng)主要包括鋁型材機(jī)架、伺服升降模組、可調(diào)檢測(cè)探針組件、檢測(cè)電路、控制系統(tǒng)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置、電芯料箱輸送模塊等組成，具體如圖1所示。

圖1 檢測(cè)專機(jī)系統(tǒng)

各部分功能如下：

鋁型材機(jī)架：設(shè)備結(jié)構(gòu)主體。

伺服升降模組：由伺服電缸驅(qū)動(dòng)完成檢測(cè)探針組件的升降。

可調(diào)檢測(cè)探針組件：完成檢測(cè)探針與電芯極柱的可靠接觸。

檢測(cè)電路：完成單體電芯電壓、內(nèi)阻檢測(cè)。

安全防護(hù)裝置：完成設(shè)備的安全互鎖與物理隔離。

電芯料箱輸送模塊：完成電芯料箱的流入流出。

2 系統(tǒng)檢測(cè)原理

由于電芯充放電結(jié)束之后，電芯內(nèi)部參數(shù)不穩(wěn)定，所以要測(cè)得準(zhǔn)確的參數(shù)，電芯一般以料箱為儲(chǔ)存單元靜置一段時(shí)間，待電芯內(nèi)部性能穩(wěn)定之后方可測(cè)量[4]。本系統(tǒng)主要檢測(cè)電芯的交流內(nèi)阻和開路電壓（OCV，Open circuit voltage）。

一般電阻測(cè)試方法是采用直流放電法[5]，即外接直流電源并檢測(cè)電阻兩端的電壓和流過的電流數(shù)據(jù)，這種方法具有省時(shí)高效、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。但是在測(cè)量單體電芯時(shí)，直流法會(huì)引起電芯內(nèi)部的極化內(nèi)阻變化，導(dǎo)致內(nèi)阻測(cè)量不準(zhǔn)確，且電芯外接較大直流電流也會(huì)對(duì)其內(nèi)部造成損害。同時(shí)直流放電法測(cè)量速度較慢，無法在線測(cè)量?？紤]到電芯測(cè)量精度、速度以及安全性的要求，新能源汽車動(dòng)力電池的單個(gè)電芯無法采用常規(guī)的直流電阻測(cè)量?jī)x。

交流內(nèi)阻的測(cè)量方法一般分為有擾動(dòng)源和無擾動(dòng)源兩種[6]，有擾動(dòng)源方法主要利用外接擾動(dòng)源發(fā)出的電壓或電流信號(hào)激勵(lì)電芯，通過采集激勵(lì)之后電芯端的電壓和電流數(shù)據(jù)計(jì)算交流內(nèi)阻。無擾動(dòng)源法則不需要外接擾動(dòng)信號(hào)源，通過直流-直流（DC-DC）電源升降壓轉(zhuǎn)換原理即可測(cè)試交流內(nèi)阻。

本文采用有擾動(dòng)源法測(cè)量?jī)?nèi)阻[7]，即外接一個(gè)高頻交流信號(hào)Ub（1kHz），此時(shí)等效電路中C1、C2相當(dāng)于短路，故可以測(cè)出交流電阻R0的阻值大小。

常見電路等效模型有Rint[8]、Thevenin[9]、PNGV[10]等模型。如圖2所示，該二階RC等效電路為Thevenin模型，該模型優(yōu)化了Rint模型，可以很好地描述交流內(nèi)阻（歐姆內(nèi)阻）和極化內(nèi)阻，同時(shí)也可以更好地描述電池的動(dòng)態(tài)特性。其中Ua為開路電壓，R0為交流內(nèi)阻，R1與R2部分為極化電阻，C1與C2部分為極化電容。在測(cè)量電路中，Ub為外接頻率1KHz的交流電源，電壓表測(cè)得的參數(shù)為有效值，電流表測(cè)得的參數(shù)為有效值。輸入電路中的高頻電流如式(1)所示，輸入電路中的高頻電壓如式(2)所示，最終測(cè)得的內(nèi)阻如式(3)所示。

圖2 ACIR檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

Ub為恒壓源交流電壓，故可以直接顯示出來，而電流采集則需要通過霍爾元件進(jìn)行交流電壓和電流之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。除了使用信號(hào)采集元件測(cè)量所需的電壓和電流值，也可以通過計(jì)算電壓有效值[11]，即電壓的均方根值（RMS，Root Mean Square）來獲得所需參數(shù)。如式(4)所示，式中為電壓有效值，T為電壓波形周期，V(t)為電壓瞬時(shí)值。

測(cè)量因測(cè)試的電芯交流內(nèi)阻值為毫歐級(jí)別，故流經(jīng)測(cè)量裝置的電流十分微小。為了防止微小信號(hào)在測(cè)量時(shí)受到噪聲和電芯內(nèi)部直流電流影響，故還需加裝高通濾波電路和信號(hào)放大模塊[6～12]。由于外部擾動(dòng)原輸入的信號(hào)頻率為1KHz，所以高通濾波電路允許通過頻率應(yīng)略小于1KHz。

理論上來說，電芯的交流阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)，而用上述方法測(cè)出的交流阻抗實(shí)際上是對(duì)復(fù)數(shù)阻抗求模，所得的模應(yīng)為交流阻抗在1kHZ下的最大值。在這種情況下，真實(shí)阻抗略小于阻抗的模，但二者十分接近，因而在1kHZ外部激勵(lì)下測(cè)得的交流電阻可視為真實(shí)的交流電阻。

開路電壓為電池在開路狀態(tài)的電壓。在測(cè)量時(shí)，一般認(rèn)為電池在不帶負(fù)載時(shí)，其正負(fù)極之間的電壓值為開路電壓。在電池正負(fù)極之間接一個(gè)伏特表即可測(cè)量電池的開路電壓。研究表明[4]，當(dāng)溫度一定時(shí)，開路電壓和電池電荷狀態(tài)強(qiáng)相關(guān)，故測(cè)量開路電壓也可以反映電池性能。本文所設(shè)計(jì)的ACIR測(cè)量系統(tǒng)中，在測(cè)量交流電阻之后，如圖2所示開關(guān)n會(huì)斷開交流激勵(lì)，而圖2中的電壓表和電流表則會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)量直流電路的儀器，用以完成測(cè)量電芯的開路電壓是否符合工藝要求。

3 專機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)專機(jī)采用PLC進(jìn)行控制，實(shí)際來料時(shí)電芯裝滿料箱整體流入。料箱如圖3所示，電芯分為3列，每列16個(gè)電芯，共計(jì)48個(gè)電芯。因單體電芯內(nèi)阻較小，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確性，檢測(cè)單個(gè)電芯的探針組件設(shè)計(jì)為四端結(jié)構(gòu)，即輸入高頻電流的端子和測(cè)量電壓的端子分開，這樣可以有效降低端子電阻對(duì)測(cè)試電阻的影響。

圖3 電芯料箱

檢測(cè)專機(jī)控制邏輯如下表1中偽代碼所示。電芯料箱通過輸送主模塊n0輸送至ACIR檢測(cè)設(shè)備處，當(dāng)識(shí)別到料箱到位信號(hào)n1時(shí)，料箱輸送副模塊n2負(fù)責(zé)將料箱傳送至ACIR檢測(cè)設(shè)備中。在電芯內(nèi)部參數(shù)檢測(cè)過程中料箱存在信號(hào)n3一直為真。ACIR檢測(cè)電芯內(nèi)部參數(shù)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)同步至上位機(jī)模塊以方便操作人員監(jiān)測(cè)。在ACIR檢測(cè)結(jié)束之后，電芯料箱會(huì)通過電芯料箱輸送主副模塊運(yùn)送至下一工序。

表1 檢測(cè)專機(jī)控制邏輯

4 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

由于單體電芯生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，在進(jìn)行ACIR檢測(cè)之前還有注液、烘烤、化成等多道工序，在進(jìn)行ACIR檢測(cè)之時(shí)須將檢測(cè)工藝數(shù)據(jù)與電芯二維碼層層綁定，并寫入數(shù)據(jù)庫，便于單體電芯檢測(cè)結(jié)果查詢及后道工序提取使用。為此，本文設(shè)計(jì)了如圖4所示的界面，其中：

圖4 上位機(jī)界面示意圖

狀態(tài)0：黑色代表該位置無電芯

狀態(tài)1：白色代表該位置是生產(chǎn)工藝變更時(shí)的測(cè)試用電芯

狀態(tài)2：綠色代表正常電芯

狀態(tài)3：黃色代表電芯電壓異常

狀態(tài)4：粉色代表電芯內(nèi)阻異常

狀態(tài)5：紅色代表電芯電壓及內(nèi)阻均異常

藍(lán)色代表正在測(cè)試中的電芯，待測(cè)試完畢會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樯鲜?～5所述狀態(tài)。

圖4中的批次是在電芯裝箱時(shí)，按照裝箱時(shí)間被賦予的14位編號(hào)，屬于ACIR檢測(cè)之前的流程。在本系統(tǒng)中，設(shè)定的電壓正常范圍為3000mV～4000mV，內(nèi)阻正常范圍為0.1mΩ～2mΩ。

表2為圖4檢測(cè)完成之后生成的電芯狀態(tài)表，該狀態(tài)表包含整個(gè)料箱電芯的批次、編號(hào)、狀態(tài)、電壓以及內(nèi)阻，該狀態(tài)表會(huì)在檢測(cè)完成之后同步更新到數(shù)據(jù)庫中。電芯編號(hào)按照電芯在料箱中的位置，從1到48依次編號(hào)。

表2 電芯狀態(tài)表

從表2中可以看出，批次為20220813123510的這一箱電芯中，編號(hào)為1的位置電芯狀態(tài)為0，表示原料箱第1行第1列的位置無電芯；編號(hào)為8的位置電芯狀態(tài)為1，表示原料箱第3行第2列的位置為測(cè)試用電芯，在之后的流程中當(dāng)再次識(shí)別到該批次的料箱時(shí)，測(cè)試用電芯會(huì)被挑選做工藝分析；編號(hào)為13的位置電芯狀態(tài)為3，表示原料箱第5行第1列的電芯電壓異常，在之后的流程中，電壓異常的電芯會(huì)被挑選進(jìn)行二次檢測(cè)后，分析異常形成的原因；編號(hào)為17的位置電芯狀態(tài)為4，表示原料箱第6行第2列的電芯內(nèi)阻異常，處理流程和電芯狀態(tài)3的一致；編號(hào)為26的位置電芯狀態(tài)為5，表示原料箱第九行第二列的電芯電壓內(nèi)阻均發(fā)生異常，處理流程同電芯狀態(tài)3一致；編號(hào)為46、47、48的三個(gè)電芯在圖4中還未測(cè)試完畢，在表2中這3個(gè)電芯已測(cè)試完畢，結(jié)果均為合格；其余電芯均為狀態(tài)2，表示電芯合格。

數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)著電芯生產(chǎn)流程的所有工藝信息。在ACIR檢測(cè)前，需訪問數(shù)據(jù)庫進(jìn)行料箱查重，如有重復(fù)，則需要將現(xiàn)有料箱批次清除并根據(jù)其進(jìn)入ACIR檢測(cè)專機(jī)的時(shí)間重新賦值。在ACIR檢測(cè)后，需繼續(xù)訪問數(shù)據(jù)庫判斷電芯狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)電芯數(shù)量，以決定料箱接下來的工藝流向，具體為：如料箱為滿箱，則根據(jù)電芯電壓和交流內(nèi)阻的狀態(tài)，將狀態(tài)異常的電芯剔除，再將剩余電芯放行流入下一工序；如果料箱為非滿箱或料箱中某一位置電芯狀態(tài)為0，則需在數(shù)據(jù)庫中查詢?cè)撐恢玫碾娦臼欠裨贏CIR檢測(cè)之前就被剔除，或者在電芯裝框的時(shí)候該位置就無電芯。如若均不是以上兩種情況，則需要報(bào)錯(cuò)并交由人工處理。

此外，為便于操作人員查詢工藝數(shù)據(jù)和日常設(shè)備維護(hù)，系統(tǒng)支持表格導(dǎo)出和日志查詢功能。

5 結(jié)語

本文依托于實(shí)際項(xiàng)目，綜合考慮單體電芯的檢測(cè)工藝要求，采用交流注入法測(cè)量電芯交流內(nèi)阻、開路電壓，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)阻測(cè)量精度為0.001mΩ，電壓測(cè)量精度為0.001mV，且每個(gè)電芯測(cè)量時(shí)間小于2秒，符合生產(chǎn)測(cè)試節(jié)拍。該ACIR專機(jī)設(shè)備經(jīng)過生產(chǎn)反復(fù)驗(yàn)證，證明本文所提測(cè)試方法與設(shè)計(jì)思路的有效性，具有一定的行業(yè)推廣價(jià)值。