基于X射線的鋰離子電芯測量系統的設計

唐少琴

（西安航空職業技術學院自動化工程系 710089）

1 項目研究的背景

據報導2012年我國手機普及率達到每百人73.6部，中國內地一共擁有8.95億部手機，是世界上手機最多的國家。手機已成為現代生活的必需品，很多地方的消費者已不止“人手一部”了。但是近年來發生的三星手機爆炸案，iphon4手機爆炸案等，讓人們對手機的安全產生了很大的懷疑，有許多人甚至到了“談鋰色變”的程度，人們開始將手機戲稱為“手雷”。試想如果您每天寸步不離的手機就在您的衣服口袋里、枕頭旁爆炸，恐怕手機也將就此成為我們揮之不去的噩夢吧。

手機爆炸的主要原因為電池內部瞬間放電，致使電池內部快速升溫，電池內置在手機殼內，熱量無法快速排放造成手機爆炸。就象把汽油裝在瓶子里，遇見明火高溫燃燒發生爆炸一樣。目前，手機所使用的電池多為鋰離子電池，鋰離子電池以其優良的特性，被廣泛的應用于：手機、筆記本計算機、照相機等便攜式電子設備中。鋰離子電池由電芯和保護電路組成。鋰離子電芯的負極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。電芯內部采用螺旋繞制結構，用一種非常精細而滲透性很強的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成，正極包括由鋰和二氧化鈷組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極，負極由片狀碳材料組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成，正負極被緊緊的包裹在一個充有電解液的鋁殼內。

手機的安全絕大多數取決于這一小小的電芯，雖然電芯在出廠前均要遵守國標GB/T18287—2000，UL1642 IEC61960 進行檢測，檢測的項目包括電性能檢測、電芯自放電性能檢測、濕度和熱度適應性能檢測、振動檢測等。這些檢測似乎看起來很完善。但是手機在使用的過程中，由于使用狀態、使用環境的不同和使用方法的不當，誘發各種危險因素的產生，從而導致不可預知的危害。上面已提到，所有的爆炸大都源于手機內部瞬間放電，使得手機內部集聚高溫，而熱量不能及時排出，使得手機爆炸。尋找放電原因、避免放電發生確保手機使用安全是我們必須追求的目標。為此，查明手機電芯內部放電點，測量放電間距，將放電間距過小的，可能引起放電發生的電芯檢出，將是我們確保手機使用安全的有效途徑。

2 基于X射線的鋰離子電芯測量系統

2.1 該系統簡介

基于X射線的鋰離子電芯測量系統主要包括數據采集、數據處理和運動控制兩大部分。該系統集成了微電子技術和數據處理技術、軟件技術。基于X射線的鋰離子電芯測量系統將電芯放電可能性檢測從間接的振動檢測、濕度、熱度檢測等變為直接的數據測量，使得測量結果直觀、可靠。該系統采用高解析度工業照相機和密封微焦斑X線管組合，通過X射線非破壞性透視檢查，實時觀測到高清晰的圖片，如圖一為系統成像原理圖。該系統的測量不受人為因素的影響，具有很強的客觀性。該系統能對電芯進行連續的測量，并對測試結果進行數據處理和數據存儲，對于客觀評價電芯提供依據。如圖一為該系統的設計流程圖。

圖一：系統成像原理圖

圖二：系統流程圖

2.2 確定放電點和放電間隙

電芯內部的放電主要由正極的鋁片、負極的銅片和外部的鋁殼之間所組成不同放電間隙，根據電芯內部結構特點確定一共有六個放電點。鋰離子電池規格不同則最小的放電間隙不同，又由于鋰離子電芯被緊緊包裹在鋁殼內無法直接測量放電點之間的距離，并且電芯內部放電點有多個，需要多點測量和多方位測量。下圖是朗能鋰離子電池規格表中的部分，根據此表中474470A規格的電池，確定此規格電芯最小的放電間隙為0.1mm.

圖三：朗能電池部分規格表

2.3 數據采集

數據采集主要由三部分組成：X射線源、載物臺和工業照相機。

X射線也叫倫琴射線具有很高的穿透本領，能透過許多對可見光不透明的物質，如墨紙、金屬、木料等。這種肉眼看不見的射線可以使很多固體材料發生可見的熒光，使照相底片感光以及空氣電離等效應。X射線不能直接測量，在測量前必須把它轉化為可測量的量，照相法是X射線檢測技術的基本方法。照相法是把X射線的方位和強度轉換成照片面積上相應位置的黑度，然后進行直接測量，或輔以測微光度等儀器對低頻進行測量。這種方法是最早使用的檢測、記錄X射線的方法，目前此種方法仍被廣泛應用。工業照相機因其成像的高清晰度、高速度和便于數據處理等優點，正在越來越多的被使用在X射線檢測技術中，例如：工業生產檢測、材料分析、臨床檢驗等。

如下圖是在X射線照射下載物臺上的鋰離子電芯在工業照相機中所成側立面圖和正立面圖：

圖四：鋰離子電芯側立面成像

圖五：鋰離子電芯正立面成像

工業照相機也稱作：“機器視覺相機”，它由兩大基本部分組成，即圖像感光芯片和數字化的數據接口。圖像感光芯片由數十萬至數百萬個像素組成。像素把光線的強度轉換為電壓輸出。這些像素的電壓被以灰度值的形式輸出，所有像素放在一起就形成了圖像，發給計算機。數據接口主要有USB，1394和以太網三種。照相機不能對圖像或數據做任何處理，進行圖像的處理必須有外部計算機。

2.4 數據處理和運動控制

外部計算機上裝有基于Visual C++語言自主開發的軟件。該軟件主要完成圖像的處理和運動的控制。圖像處理可分為兩個模塊：圖像獲取模塊和圖像處理模塊。圖像獲取模塊負責與工業照相機交互，將照相機傳輸過來的圖像數據保存在計算機內存中或通過圖像采集卡直接讀取整副圖片的數據到主機系統內存，然后把這些數據提交給圖像處理模塊，圖像處理模塊對圖像進行圖像增強、平滑、銳化等圖像處理，使得圖像局部特征明顯，然后在圖像中定位需要測量的電池電芯。然后再加載測量工具測量出D0、D1、D2、D3、D4、D5的像素值距離，根據機械位置的放大倍數換算出實際電池內部的距離。最后將這些測量結果以圖像或數據的形式輸出。

如下圖六、七是產品從正面和側面測量的結果顯示：

圖六

圖七

（圖六中D0、D1、D2、D3、D4、D5分別代表六個測量點，L代表相應點測量值。圖七中，藍色線段代表正、負極間的距離）

這樣的圖像看起來很直觀，但不利于數據的保存和查看，為了便于數據的保存和查看，測量的數據也可以以數據表的形式輸出。圖八、圖九是測量數據以數據表的形式輸出，便于統計、查詢相關的產品數據。

圖八

圖九

該軟件的運動控制部分主要完成產品的移動、定位工作，通過運動控制卡控制各軸的步進電機來完成載物臺的移動定位，根據預先編輯好的位置，快速定位到需要測試的不同產品。該軟件的運動控制主要包括對X光源、相機、載物臺的運動控制。

對X光源的控制主要包括光源的開啟控制、電壓的調整、電流的調整等。還可根據載物臺的位置對光源的位置進行X、Z向的移動控制，Z向用于調整放大倍率，可以針對不同的電池來放大或縮小圖片，突出局部特征，以便觀看或測量。

對載物臺的控制主要根據電芯所放位置以及相機和光源的位置，使載物臺沿X、Y方向移動，從而使照相機的圖像能夠覆蓋所有的電芯。

對相機的控制主要根據載物臺的位置，相機的焦距和放大倍率，對相機進行X、Z向的移動控制，還可以調整相機的曝光時間，黑白平衡等參數，使得測量差異較大的產品時能夠顯示比較清楚優質的圖像。

總結：該論文只是對整個系統的設計思路和數據處理方式做了概括性的闡述，在此設計中有許多細節，由于篇數的原因沒有細說，如：

(1)在數據處理部分，還可以對放電間隙小于最小安全間距的電芯進行報警處理。

(2)在數據采集的過程中，可以一次進行多個電芯的測量。這需要完成一個治具的制作。

(3)該系統能對電芯進行連續測量，這對載物臺的重復性定位要求較高。

[1] 《X射線數字成像在管道銹蝕檢測中的應用》王明泉,宋文愛《測試技術學報》,2001年04期；

[2] 《X射線在焊接質量檢測中的應用》,王磊,《科學技術》,2010年5月

[3] 《數字相機在工業零件檢測中的應用》,于晶濤,陳鷹,《遙感技術》,2001年3月