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(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)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(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。目前已經(jīng)有很多關(guān)于新能源汽車自燃的報(bào)道,其中動(dòng)力電池燃燒是造成汽車自燃的主要原因,提高動(dòng)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(shí)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(duì)電池冷卻液的電導(dǎo)率進(jìn)行監(jiān)測(cè)尤為重要。在新能源汽車中,電池冷卻液具有以下特點(diǎn):首先,對(duì)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(dǎo)率,此時(shí)冷卻液與電池完全絕緣。對(duì)于間接液冷式冷卻方式,電池冷卻液具有超低電導(dǎo)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(huì)在較大的范圍內(nèi)變化,對(duì)不同溫度下的冷卻液電導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)可以保證車輛使用過程中的安全性。最后,低電導(dǎo)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(dǎo)率測(cè)量和溫度監(jiān)測(cè),確保電池安全。對(duì)車輛而言,電池使用壽命增長(zhǎng),能量損失減少,可以增加車輛運(yùn)行的安全性和使用時(shí)間。

目前,已有的商用電導(dǎo)率傳感器測(cè)量精度相對(duì)較高、量程范圍廣、附加功能強(qiáng),但是對(duì)于寬溫度范圍內(nèi)超低電導(dǎo)率溶液電導(dǎo)率的測(cè)量精度不能滿足新能源車電池冷卻液的監(jiān)測(cè)需求。如AST生產(chǎn)的電導(dǎo)率傳感器,檢測(cè)范圍為1～1 000 μS/cm,檢測(cè)精度為±1 μS/cm,有效測(cè)量溫度為0～50 ℃,不滿足新能源汽車的應(yīng)用需求。美國的奧利龍(Orion)公司發(fā)布的A212型臺(tái)式電導(dǎo)率儀測(cè)量范圍為1～3 000 μS/cm,有效測(cè)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(cè),對(duì)超低電導(dǎo)率溶液測(cè)量效果并不理想。

超低電導(dǎo)率溶液的測(cè)量中,中北大學(xué)郭峰等使用了四電極探頭,使用正弦交流信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)對(duì)1～1 000 μS/cm的溶液電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量[1]。大連理工大學(xué)高山川等使用雙頻正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),通過計(jì)算溶液的阻抗解決了溶液中的雙電層效應(yīng)[2]。清華大學(xué)的孟凡、董永貴使用方波脈沖作為激勵(lì),有效減小了正弦信號(hào)在測(cè)量過程中不穩(wěn)定的問題[3]。以上研究都是在0～30 ℃內(nèi)對(duì)溶液電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量,但在實(shí)際運(yùn)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(shí))對(duì)電池冷卻液電導(dǎo)率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量[4]。

針對(duì)新能源車電池冷卻液電導(dǎo)率測(cè)量面臨的寬溫度區(qū)間,超低電導(dǎo)率溶液的高精度測(cè)量的挑戰(zhàn),本文設(shè)計(jì)的高精度信號(hào)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(duì)-20～90 ℃溫區(qū)內(nèi)的電導(dǎo)率與溫度進(jìn)行測(cè)量。與傳統(tǒng)的金屬電極電導(dǎo)率傳感器相比,該傳感器可以通過MEMS工藝實(shí)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(diǎn)。

1 電導(dǎo)率溫度集成微納電極設(shè)計(jì)

電導(dǎo)率是物體傳導(dǎo)電流的能力,由自由移動(dòng)的離子產(chǎn)生,通過在傳感器兩端施加交流激勵(lì)信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率的測(cè)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(yùn)動(dòng)所需時(shí)間短,與傳統(tǒng)金屬電極相比,具有響應(yīng)速度快[6]、檢測(cè)靈敏度高、高穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì),可以在不影響和破壞測(cè)試環(huán)境的情況下測(cè)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(yīng),適用于對(duì)測(cè)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(dǎo)率測(cè)量[8]。

溶液電導(dǎo)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(shí)際的電導(dǎo)率。為比較不同溫度下溶液電導(dǎo)率,通常將電導(dǎo)率規(guī)定為25 ℃下溶液電導(dǎo)率。因此實(shí)際電導(dǎo)率測(cè)量必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償,通過溫度補(bǔ)償使不同溫度的溶液的電導(dǎo)率具有可比性。

1.1 叉指微電極電導(dǎo)率傳感器

叉指微電極由一對(duì)交叉排列的對(duì)稱電極構(gòu)成,其中一個(gè)為激勵(lì)電極,提供檢測(cè)所需要的激勵(lì)信號(hào),另一個(gè)為參考電極[9]。當(dāng)對(duì)激勵(lì)電極施加一定幅度和頻率的電壓信號(hào)時(shí),在電場(chǎng)作用下溶液中離子會(huì)在溶液中移動(dòng),從而在電極間產(chǎn)生電流[10],這個(gè)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(dǎo)與溶液電導(dǎo)率之間呈現(xiàn)為一種比例關(guān)系,通過對(duì)電極間等效電導(dǎo)率的測(cè)量可以計(jì)算出溶液實(shí)際電導(dǎo)率[11]。叉指微電極-溶液組成的電化學(xué)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(duì)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(dǎo)等于每對(duì)叉指電導(dǎo)之和,即可通過叉指數(shù)目的增加實(shí)現(xiàn)對(duì)高內(nèi)阻溶液的阻抗測(cè)量,有效降低電導(dǎo)率測(cè)量的最低檢測(cè)限[12]。針對(duì)新能源車電池冷卻液電導(dǎo)率極低的特性,依據(jù)叉指電極電路模型,本文采用六對(duì)叉指電極實(shí)現(xiàn)電池冷卻液電導(dǎo)率測(cè)量。六對(duì)叉指電極的叉指長(zhǎng)度為8.00 mm,寬度為0.05 mm,叉指間距為0.35 mm,所設(shè)計(jì)的集成微納叉指電極版圖如圖2所示。

圖2 叉指電極電導(dǎo)率傳感器與Pt溫度傳感器版圖

通常情況下,電導(dǎo)率傳感器的電極常數(shù)必須進(jìn)行校準(zhǔn)[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(jì)算出溶液的電導(dǎo)率[14]。式(2)為溶液電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率與電極常數(shù)的關(guān)系:

(3)

式中:L為電極長(zhǎng)度;s為電極間隙,w為電極寬度。

當(dāng)式(3)中的K(k)完全積分時(shí),

(4)

可以看出在測(cè)量低電導(dǎo)率的溶液時(shí),叉指電極擁有更快的響應(yīng)時(shí)間,降低了建立穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間,改進(jìn)了測(cè)量響應(yīng)[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(cè)溫傳感器。熱電阻式測(cè)溫傳感器的優(yōu)點(diǎn)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(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理及化學(xué)特性,且加工工藝簡(jiǎn)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(xué)特性十分穩(wěn)定,本設(shè)計(jì)使用蛇形薄膜鉑電阻對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。

蛇形薄膜鉑電阻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示,鉑電阻長(zhǎng)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(shí),在鉑電阻上方覆蓋一層氮化硅進(jìn)行絕緣處理,同時(shí)氮化硅層也起到防腐蝕的作用。圖3為傳感器實(shí)物圖,該傳感器通過MEMS(微機(jī)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(xì)鉑敏感電極,采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)制備絕緣抗腐蝕的氮化硅薄膜。

2 電導(dǎo)率變送器電路設(shè)計(jì)

2.1 電導(dǎo)率變送器電路總體結(jié)構(gòu)

電導(dǎo)率變送器以GD32F303CGT6微處理器為核心,實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、數(shù)據(jù)采集以及基于CAN總線的傳感器校準(zhǔn)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(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路、電導(dǎo)率測(cè)量電路、溫度測(cè)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(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路由基準(zhǔn)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(lì)信號(hào)的頻率。通過電導(dǎo)率測(cè)量電路與溫度測(cè)量電路對(duì)溶液電導(dǎo)率與溫度進(jìn)行測(cè)量,由微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與溫度補(bǔ)償計(jì)算,最后通過CAN總線實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路

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

激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路如圖5所示,由2.5 V電壓基準(zhǔn)電壓源與模擬開關(guān)組成前級(jí)信號(hào)產(chǎn)生電路。其中2.50 V電壓基準(zhǔn)源使用RS432,RS432在25 ℃時(shí)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(shè)計(jì)中基準(zhǔn)源在溫區(qū)范圍內(nèi)輸出電壓的穩(wěn)定性要求,電壓基準(zhǔn)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(dǎo)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(zhǔn)源輸出與模擬地平面交替導(dǎo)通,最終輸出峰峰值為2.50 V的單極性方波。

圖5 激勵(lì)信號(hào)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(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力,在單極性方波激勵(lì)信號(hào)輸出端通過電壓跟隨電路提高驅(qū)動(dòng)能力,電壓跟隨器使用的運(yùn)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(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力的電路中使用的條件。通過分壓電阻R2、R3使激勵(lì)信號(hào)電壓范圍處于叉指電極安全范圍內(nèi)。由于分壓后運(yùn)算放大器輸出電阻已經(jīng)變?yōu)镽2//R3=5 kΩ,需要通過后級(jí)電壓跟隨器提高經(jīng)過分壓的激勵(lì)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。輸出的激勵(lì)信號(hào)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(dǎo)率測(cè)量電路設(shè)計(jì)

電導(dǎo)率測(cè)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(dǎo)率測(cè)量處理電路

激勵(lì)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?？紤]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(lì)信號(hào)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(zhǔn)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(lì)信號(hào)作用在叉指電極產(chǎn)生電流Isol,輸入至后級(jí)跨阻放大器進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換。

由于RS8521擁有10 pA輸入偏置電流,在進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換時(shí)即使增益過大也不會(huì)對(duì)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(dǎo)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(duì)反饋電阻進(jìn)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(jì)算出經(jīng)過叉指電極的電流Isol,與已知的Vsi進(jìn)行計(jì)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(hào)已經(jīng)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),通過分壓電路對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行限幅處理,最終由微控制器采集信號(hào)并計(jì)算。

2.4 溫度測(cè)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(shè)計(jì)使用電橋來對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量。圖7為溫度測(cè)量電路原理圖,使用電壓基準(zhǔn)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(gè)輸出端Vin1與Vin2通過運(yùn)算放大器提高輸入電阻:

(8)

(9)

圖7 溫度測(cè)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(jí)通過RS8551對(duì)電橋兩端的直流電壓進(jìn)行差分放大,同時(shí)在反饋電阻R21兩端并聯(lián)電容C23構(gòu)成低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行第一級(jí)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(jì)算得出溶液的溫度。

3 電導(dǎo)率變送器軟件設(shè)計(jì)

電導(dǎo)率變送器軟件設(shè)計(jì)從生產(chǎn)和運(yùn)行角度可以劃分為校準(zhǔn)模式和電導(dǎo)率測(cè)量模式。電導(dǎo)率校準(zhǔn)模式用于傳感器出廠前的標(biāo)定和校準(zhǔn),電導(dǎo)率測(cè)量模式主要實(shí)現(xiàn)傳感器正常運(yùn)行時(shí)電導(dǎo)率測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。傳感器上電后首先判斷是否已校準(zhǔn),若沒有校準(zhǔn)則進(jìn)入校準(zhǔn)模式;若已校準(zhǔn),則判斷有沒有收到校準(zhǔn)指令,若收到校準(zhǔn)指令則進(jìn)入校準(zhǔn)模式,否則進(jìn)入電導(dǎo)率測(cè)量模式。

3.1 校準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)程序用于鉑電阻校準(zhǔn)和叉指電極的電極常數(shù)校準(zhǔn)。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(duì)傳感器進(jìn)行必要的校準(zhǔn)和標(biāo)定。針對(duì)電導(dǎo)率變送器的應(yīng)用特性,本設(shè)計(jì)采用軟件校準(zhǔn)方式,通過CAN總線向微控制器發(fā)送傳感器校準(zhǔn)指令,分別進(jìn)行鉑電阻校準(zhǔn)與叉指電極的電極常數(shù)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)程序流程圖如圖8所示。

圖8 校準(zhǔn)程序流程圖

電導(dǎo)率變送器上電初始化后,根據(jù)校準(zhǔn)指令進(jìn)入校準(zhǔn)模式。首先進(jìn)行鉑電阻校準(zhǔn),采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)方法,選取0 ℃冰水混合物與50 ℃純水進(jìn)行標(biāo)定,鉑電阻校準(zhǔn)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(zhǔn)使用5.16 μS/cm與19.76 μS/cm標(biāo)準(zhǔn)溶液在25 ℃恒溫槽中進(jìn)行。校準(zhǔn)完成后將完成標(biāo)志存入內(nèi)存地址,通過CAN總線發(fā)送指令,變送器復(fù)位退出校準(zhǔn)模式。

3.2 溫度補(bǔ)償算法

溶液的溫度變化會(huì)影響溶液實(shí)際的電導(dǎo)率,為比較不同溫度下溶液電導(dǎo)率,通常將溶液電導(dǎo)率規(guī)定為25 ℃下溶液電導(dǎo)率。因此實(shí)際電導(dǎo)率測(cè)量必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償,通過溫度補(bǔ)償使不同溫度的溶液的電導(dǎo)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(shí)的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率;KT為當(dāng)前溫度下的實(shí)時(shí)電導(dǎo)率;T為當(dāng)前測(cè)量溫度。

通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溶液電導(dǎo)率受高溫與低溫影響嚴(yán)重,在-20～10 ℃與40～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi),電導(dǎo)率變化與溫度變化成非線性關(guān)系。為了使溶液電導(dǎo)率在-20～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi)補(bǔ)償后的電導(dǎo)率更加接近25 ℃下的溶液電導(dǎo)率,使用分段補(bǔ)償方式對(duì)溶液電導(dǎo)率進(jìn)行溫度補(bǔ)償,以下為溶液在不同溫度下的補(bǔ)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(dǎo)率測(cè)量程序設(shè)計(jì)

微控制器復(fù)位后讀取內(nèi)存地址,若完成校準(zhǔn)則進(jìn)入運(yùn)行模式。運(yùn)行模式中先對(duì)溶液溫度進(jìn)行測(cè)量,待溶液溫度測(cè)量結(jié)束后測(cè)量當(dāng)前溫度下電極電流并計(jì)算電導(dǎo)。測(cè)量結(jié)束后根據(jù)溶液溫度進(jìn)行電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償,最后通過CAN總線上傳溶液電導(dǎo)率與溫度數(shù)據(jù)。運(yùn)行模式流程如圖9所示。

圖9 運(yùn)行模式程序流程圖

4 電導(dǎo)率變送器測(cè)試

電導(dǎo)率變送器測(cè)試分為校準(zhǔn)模式測(cè)試與運(yùn)行模式測(cè)試。校準(zhǔn)模式測(cè)試中使用到恒溫槽、0 ℃冰水混合物、電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液。運(yùn)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?yán)鋮s液。使用測(cè)量精度為0.02級(jí)的宇電AI-5600高精度測(cè)溫儀對(duì)測(cè)試中需要測(cè)溫的部分進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。

4.1 電導(dǎo)率變送器校準(zhǔn)

鉑電阻校準(zhǔn)需要準(zhǔn)備50 ℃恒溫水浴槽及200 mL的0 ℃冰水混合物,將電導(dǎo)率變送器放入0 ℃冰水混合物中靜置一段時(shí)間,通過CAN總線發(fā)送指令進(jìn)行0 ℃校準(zhǔn),待校準(zhǔn)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(shí)間,發(fā)送校準(zhǔn)指令后進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)完成后嵌入式微控制器計(jì)算鉑電阻溫度系數(shù),取出清洗后靜置等待叉指電極校準(zhǔn)。

叉指電極校準(zhǔn)需要在恒溫水浴槽中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)開始時(shí)設(shè)定恒溫槽溫度為25 ℃,將3種電導(dǎo)率分別為5.16、9.31、19.76 μS/cm的標(biāo)準(zhǔn)溶液放入恒溫槽中靜置。

待標(biāo)準(zhǔn)溶液溫度穩(wěn)定后,使用電導(dǎo)率為5.16、19.76 μS/cm的標(biāo)準(zhǔn)溶液按照3.1小節(jié)所述方法對(duì)叉指電極進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定。測(cè)量9.31 μS/cm標(biāo)準(zhǔn)溶液的電導(dǎo)率值來驗(yàn)證校準(zhǔn)完成后的傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度是否達(dá)到要求。其中25 ℃下不同電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 電導(dǎo)率變送器測(cè)試

測(cè)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(cè)量?jī)x與鉑電阻同時(shí)測(cè)量溶液溫度。高精度測(cè)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(jī),溫度測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 溶液溫度測(cè)量數(shù)據(jù) ℃

鉑電阻溫度測(cè)試結(jié)束后進(jìn)行電導(dǎo)率變送器整體測(cè)試,使用的低電導(dǎo)率溶液為比亞迪新能源汽車?yán)鋮s液,該冷卻液在25 ℃時(shí)的電導(dǎo)率為2.16 μS/cm。

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

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

其中造成-19.60 ℃下溶液電導(dǎo)率相對(duì)誤差較高的原因是溶液在低溫下電導(dǎo)率降低,2.16 μS/cm的冷卻液電導(dǎo)率降低至極低水平,測(cè)量時(shí)會(huì)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(dǎo)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(duì)溶液電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量,此時(shí)冷卻液的電導(dǎo)率為18.85 μS/cm。將電導(dǎo)率為18.85 μS/cm的冷卻液放入冷卻液循環(huán)恒溫箱進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表4所示。

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

由于電導(dǎo)率變送器需要長(zhǎng)時(shí)間放置在溶液中且持續(xù)工作,為了驗(yàn)證電導(dǎo)率變送器的穩(wěn)定性,本設(shè)計(jì)對(duì)溫度為65 ℃、電導(dǎo)率為10.55 μS/cm的比亞迪新能源汽車?yán)鋮s液進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量,測(cè)試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 10.55 μS/cm電池冷卻液電導(dǎo)率穩(wěn)定性測(cè)試

5 結(jié)論

本文提出并設(shè)計(jì)了一種用于監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車電池冷卻液的電導(dǎo)率變送器。電導(dǎo)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(dǎo)率測(cè)量電路與溫度測(cè)量電路對(duì)溶液的電導(dǎo)率與溫度進(jìn)行測(cè)量,最終通過CAN總線將電導(dǎo)率與溫度數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明:電導(dǎo)率變送器可以對(duì)-20～90 ℃溫度區(qū)間內(nèi)低電導(dǎo)率的電池冷卻液進(jìn)行有效測(cè)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(dǎo)率變送器穩(wěn)定性測(cè)試表明:在長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下,電導(dǎo)率變送器仍然可以對(duì)電池冷卻液電導(dǎo)率與溫度進(jìn)行有效測(cè)量。因此,本文所提出的電導(dǎo)率變送器在低電導(dǎo)率電池冷卻液電導(dǎo)率測(cè)量方面具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。