新能源汽車單體電芯ACIR檢測系統設計與實現

劉振國，肖思哲

（北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

在國家“十四五”發展規劃中明確提出[1]，要聚焦新能源、新能源汽車等戰略新興產業，提升制造業核心競爭力，突破新能源汽車高安全動力電池、高效驅動電機、高性能動力系統等關鍵技術。動力電池作為新能源汽車的“心臟”，其能量密度和循環充放電壽命是業界一直關注的核心指標。電芯作為構成動力電池包（PACK）的最小單元，電池包開路電壓的特性取決于電芯的串聯成組情況，電池包內部容量大小取決于電芯的并聯情況。但由于單體電芯在生產過程中無法做到參數絕對一致，所以如何對單體電芯進行準確分檔與高效配組成為業內普遍關注的問題。

眾所周知，電池內阻作為可直觀反映其功率性能的重要參數[2]，是電池生產過程中需要監測的重要一環，主要包含交流內阻和極化內阻。其中，交流內阻主要受電池內部材料、電解液接觸等因素影響，在使用過程中幾乎不會發生變化，可以較為直觀的反應電池生產過程中的質量問題。而極化內阻主要因電池放電過程中電解液化學反應引起，會隨著電池使用時間的增加而變化，進而可以反映電池的老化情況。本文所設計的檢測系統主要檢測電池生產過程中的質量問題，故主要檢測電芯的交流內阻，從而驗證其內部結構和開路電壓是否符合工藝要求。

為解決單體電芯參數的在線檢測問題，參照2017年發布的《JJF 1620-2017電池內阻測試儀標準規范》[3]，本文搭建了一套專用于汽車動力電池單體電芯電壓與內阻的專機系統。

1 系統主要構成

本文構建的檢測專機系統主要包括鋁型材機架、伺服升降模組、可調檢測探針組件、檢測電路、控制系統、上位機軟件系統、安全防護裝置、電芯料箱輸送模塊等組成，具體如圖1所示。

圖1 檢測專機系統

各部分功能如下：

鋁型材機架：設備結構主體。

伺服升降模組：由伺服電缸驅動完成檢測探針組件的升降。

可調檢測探針組件：完成檢測探針與電芯極柱的可靠接觸。

檢測電路：完成單體電芯電壓、內阻檢測。

安全防護裝置：完成設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 系統檢測原理

由于電芯充放電結束之后，電芯內部參數不穩定，所以要測得準確的參數，電芯一般以料箱為儲存單元靜置一段時間，待電芯內部性能穩定之后方可測量[4]。本系統主要檢測電芯的交流內阻和開路電壓（OCV，Open circuit voltage）。

一般電阻測試方法是采用直流放電法[5]，即外接直流電源并檢測電阻兩端的電壓和流過的電流數據，這種方法具有省時高效、精度高、成本低等優點。但是在測量單體電芯時，直流法會引起電芯內部的極化內阻變化，導致內阻測量不準確，且電芯外接較大直流電流也會對其內部造成損害。同時直流放電法測量速度較慢，無法在線測量。考慮到電芯測量精度、速度以及安全性的要求，新能源汽車動力電池的單個電芯無法采用常規的直流電阻測量儀。

交流內阻的測量方法一般分為有擾動源和無擾動源兩種[6]，有擾動源方法主要利用外接擾動源發出的電壓或電流信號激勵電芯，通過采集激勵之后電芯端的電壓和電流數據計算交流內阻。無擾動源法則不需要外接擾動信號源，通過直流-直流（DC-DC）電源升降壓轉換原理即可測試交流內阻。

本文采用有擾動源法測量內阻[7]，即外接一個高頻交流信號Ub（1kHz），此時等效電路中C1、C2相當于短路，故可以測出交流電阻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，該模型優化了Rint模型，可以很好地描述交流內阻（歐姆內阻）和極化內阻，同時也可以更好地描述電池的動態特性。其中Ua為開路電壓，R0為交流內阻，R1與R2部分為極化電阻，C1與C2部分為極化電容。在測量電路中，Ub為外接頻率1KHz的交流電源，電壓表測得的參數為有效值，電流表測得的參數為有效值。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，最終測得的內阻如式(3)所示。

圖2 ACIR檢測系統原理圖

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行交流電壓和電流之間進行轉換。除了使用信號采集元件測量所需的電壓和電流值，也可以通過計算電壓有效值[11]，即電壓的均方根值（RMS，Root Mean Square）來獲得所需參數。如式(4)所示，式中為電壓有效值，T為電壓波形周期，V(t)為電壓瞬時值。

測量因測試的電芯交流內阻值為毫歐級別，故流經測量裝置的電流十分微小。為了防止微小信號在測量時受到噪聲和電芯內部直流電流影響，故還需加裝高通濾波電路和信號放大模塊[6～12]。由于外部擾動原輸入的信號頻率為1KHz，所以高通濾波電路允許通過頻率應略小于1KHz。

理論上來說，電芯的交流阻抗是一個復數，而用上述方法測出的交流阻抗實際上是對復數阻抗求模，所得的模應為交流阻抗在1kHZ下的最大值。在這種情況下，真實阻抗略小于阻抗的模，但二者十分接近，因而在1kHZ外部激勵下測得的交流電阻可視為真實的交流電阻。

開路電壓為電池在開路狀態的電壓。在測量時，一般認為電池在不帶負載時，其正負極之間的電壓值為開路電壓。在電池正負極之間接一個伏特表即可測量電池的開路電壓。研究表明[4]，當溫度一定時，開路電壓和電池電荷狀態強相關，故測量開路電壓也可以反映電池性能。本文所設計的ACIR測量系統中，在測量交流電阻之后，如圖2所示開關n會斷開交流激勵，而圖2中的電壓表和電流表則會轉變為測量直流電路的儀器，用以完成測量電芯的開路電壓是否符合工藝要求。

3 專機控制系統設計實現

檢測專機采用PLC進行控制，實際來料時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個電芯，共計48個電芯。因單體電芯內阻較小，為了提高測量準確性，檢測單個電芯的探針組件設計為四端結構，即輸入高頻電流的端子和測量電壓的端子分開，這樣可以有效降低端子電阻對測試電阻的影響。

圖3 電芯料箱

檢測專機控制邏輯如下表1中偽代碼所示。電芯料箱通過輸送主模塊n0輸送至ACIR檢測設備處，當識別到料箱到位信號n1時，料箱輸送副模塊n2負責將料箱傳送至ACIR檢測設備中。在電芯內部參數檢測過程中料箱存在信號n3一直為真。ACIR檢測電芯內部參數時，檢測結果會實時同步至上位機模塊以方便操作人員監測。在ACIR檢測結束之后，電芯料箱會通過電芯料箱輸送主副模塊運送至下一工序。

表1 檢測專機控制邏輯

4 上位機軟件系統設計實現

由于單體電芯生產工藝較為復雜，在進行ACIR檢測之前還有注液、烘烤、化成等多道工序，在進行ACIR檢測之時須將檢測工藝數據與電芯二維碼層層綁定，并寫入數據庫，便于單體電芯檢測結果查詢及后道工序提取使用。為此，本文設計了如圖4所示的界面，其中：

圖4 上位機界面示意圖

狀態0：黑色代表該位置無電芯

狀態1：白色代表該位置是生產工藝變更時的測試用電芯

狀態2：綠色代表正常電芯

狀態3：黃色代表電芯電壓異常

狀態4：粉色代表電芯內阻異常

狀態5：紅色代表電芯電壓及內阻均異常

藍色代表正在測試中的電芯，待測試完畢會自動轉變為上述0～5所述狀態。

圖4中的批次是在電芯裝箱時，按照裝箱時間被賦予的14位編號，屬于ACIR檢測之前的流程。在本系統中，設定的電壓正常范圍為3000mV～4000mV，內阻正常范圍為0.1mΩ～2mΩ。

表2為圖4檢測完成之后生成的電芯狀態表，該狀態表包含整個料箱電芯的批次、編號、狀態、電壓以及內阻，該狀態表會在檢測完成之后同步更新到數據庫中。電芯編號按照電芯在料箱中的位置，從1到48依次編號。

表2 電芯狀態表

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

數據庫關聯著電芯生產流程的所有工藝信息。在ACIR檢測前，需訪問數據庫進行料箱查重，如有重復，則需要將現有料箱批次清除并根據其進入ACIR檢測專機的時間重新賦值。在ACIR檢測后，需繼續訪問數據庫判斷電芯狀態和統計電芯數量，以決定料箱接下來的工藝流向，具體為：如料箱為滿箱，則根據電芯電壓和交流內阻的狀態，將狀態異常的電芯剔除，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為0，則需在數據庫中查詢該位置的電芯是否在ACIR檢測之前就被剔除，或者在電芯裝框的時候該位置就無電芯。如若均不是以上兩種情況，則需要報錯并交由人工處理。

此外，為便于操作人員查詢工藝數據和日常設備維護，系統支持表格導出和日志查詢功能。

5 結語

本文依托于實際項目，綜合考慮單體電芯的檢測工藝要求，采用交流注入法測量電芯交流內阻、開路電壓，實現了內阻測量精度為0.001mΩ，電壓測量精度為0.001mV，且每個電芯測量時間小于2秒，符合生產測試節拍。該ACIR專機設備經過生產反復驗證，證明本文所提測試方法與設計思路的有效性，具有一定的行業推廣價值。