华南理工大学国家级大学生创新训练项目申报书

国家级大学生创新训练项目申报书项目编号：项目名称：基于ECT的软壳动力电池内部温度场检测装置研制项目负责人：郑国华项目管理学院：机械与汽车工程学院指导教师：洪晓斌华南理工大学教务处二一四年四月 填 写 说 明1.创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性实验方法的设计、设备和材料的准备、实验的实施、数据处理与分析、总结报告撰写等工作。2.申报书请按顺序逐项填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨，简明扼要。空缺项要填“无”。3.“项目编号”一栏不填；“项目管理学院”原则上为项目负责人所在学院。4.申请参加大学生创新创业训练计划项目团队的人数含负责人在内不得超过5人。5.填写时可以改变字体大小等，但要确保表格的样式不变；填写完后用A4纸张双面打印，左侧装订成册。6.申报过程有不明事宜，请与学校教务处实践教学管理办公室联系。一、基本情况项目名称基于ECT的软壳动力电池内部温度场检测装置研制所属学科机械工程 项目起止时间2014年01 月 至2015 年12 月负责人姓名郑国华性别男民族汉出生年月1993.08学号2学院机械与汽车工程专业班级热能与动力工程（车用发动机）年级大二联系电话E-参与科研情况2014年度SRP项目“新能源汽车动力电池组内部温度场监测系统开发”；项目组成员姓名年级所在学院、专业联系电话E-mail关志鹏大二电力学院电气工程及其自动化卓越班劳振鹏大二机械与汽车工程学院机械创新班徐超大二机械与汽车工程学院热能与动力工程（车用发动机）梁聪垣大二自动化科学与工程学院指导教师姓名所在学院职务/职称联系电话E-mail洪晓斌机械与汽车工程学院副教授承担科研课题情况2012年度粤港关键领域项目(2012A)“面向中高端智能车载综合服务系统与产品的研发与产业化”；2014年度华工中央高校基本科研业务费项目(滚动项目：2014ZG0016) “基于电阻层析成像的新能源汽车动力电池组内部温度场测量理论研究”;2012年度华工中央高校基本科研业务费项目(重点项目：2012ZZ0056) “新能源汽车动力电池安全性能组合测量理论及应用研究”（已验收）.二、立项依据（加页详述）（1） 研究目的 本课题以“基于ECT的软壳动力电池内部温度场检测装置研制”为题，利用基于电容传感机理的电容层析成像（ECT）无损检测技术，通过理论推导与实验综合评估，设计适用于软壳动力电池的ECT检测装置，进而对软壳动力电池内部温度场进行实时在线监测。课题首先重点对单体软壳动力电池内部温度场与介电常数关系进行了实验与理论分析，初步形成基于ECT的内部温度检测理论体系；根据软壳动力电池的结构特点，确定软壳动力电池实验平台，采用基于ECT的内部温度检测理论体系对软壳动力电池模型进行检测，提高检测精度、检测实时性，突破传统检测方法的局限，为实现软壳动力电池内部温度的在线检测奠定基础。（2） 研究内容 基于ECT的软壳动力电池内部温度检测机理采用基于电容层析成像(ECT)的无损检测技术，对软壳动力电池内部介电常数分布场进行实时检测，探讨介电常数与温度特性关系。首先，针对单体动力电池结构特点，选择合适的ECT检测装置；其次，确定实验研究方案，包括研究的电池温度范围，及其他需要考虑的实验变量；最后，针对ECT基础原理，推导检测的介电常数值，结合不同温度与相关变量的影响，深入分析介电常数的变化情况，形成基于ECT的软壳动力电池内部温度检测理论基础。 软壳动力电池ECT多维传感模型针对软壳动力电池的ECT检测机制，研究激励电极排列策略及探测深度。选取合适的电极数量和布阵方式，获取最大的探测深度，确保探测区域覆盖整个电池。从全新的角度去创新设计动力电池组ECT传感模型。针对ECT检测机制，设计适用于ECT方法的电极传感器布置载体设计。 软壳动力电池内部温度检测系统硬件电路设计针对软壳动力电池的ECT检测机制，设计与ECT传感器配套的检测系统硬件电路。 软壳动力电池内部温度检测系统图像重建 根据获得的电极对间电容值，实现软壳动力电池温度场的图像重建。（3） 国、内外研究现状和发展动态 二十一世纪，随着化石能源的逐渐消耗，能源问题成为今后世界经济中最具决定性影响的技术领域之一。自1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池以来，这种新型储能装置革新了消费电子产品的面貌，电动汽车将是动力锂离子电池最大的应用市场之一。据2013-2017年中国混合动力汽车行业深度调研与投资战略规划分析报告数据显示，从1997年全球第一辆混合动力汽车(HEV)丰田普锐斯(Toyota Prius)首发到2010年年底，丰田汽车全球累计销售近300万辆，约占整个市场70%份额，而未来将有2/3的电动汽车使用锂离子电池提供动力。 目前安全问题成为限制锂动力电池组在电动车市场推广的最为关键的一个因素。软壳动力电池使安全性问题得到一定程度的解决。但是，电池在充电过程中很容易发生短路情况，即便带有防短路的保护电路，还有防爆线，但多数情况下，这个保护电路不一定会在各种情况下起作用，防爆线能起的作用也不大。锂的化学性质非常活泼，极易燃烧，当电池充放电时，电池内部持续升温，活化过程中产生气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度，电池膨胀或起火的可能性就会加大。由于动力电池组密集的内部空间，当动力电池组内的某一单体电池因温度过高产生鼓包，相邻电池因受挤压力作用无法有效排出热量，可能导致局部高温，进一步发生连锁反应，使得整个动力电池组陷入危险状况，引发安全事故。可见，动力电池组内部温度不规则变化是引发许多安全性问题（如漏液、起火、爆炸等）的根源，对动力电池组内部温度场进行实时在线监测，对预防安全事故发生具有重要社会意义。 1997年，加利福尼亚大学伯克利分校的Chen等通过桑迪亚概念模型研究动力聚合物锂离子电池在动态应力测试中的温升计算1；2010年，法国贡皮埃涅技术大学的Forgez设计出一种针对圆柱形锂电池的热模型，该模型可直接根据被测电流和电压仿真得到内部温度2；2011年，美国约翰霍普金斯大学的Srinivasan 3首先提出通过电化学阻抗频谱法(EIS)来检测电池内部温度。2013年， Fleckenstein提出了一种热阻抗频谱分析法(TIS)，在频域上追踪动力电池内部热量表面温度关系4。国内在动力电池温度检测领域的研究相较于国外落后，研究多基于传统的温度传感器上。2004年，北京航空航天大学付进军设计一种动力电池组管理系统，由主控器来操作单总线数字式温度传感器DS18B20对电池进行温度测量，该测温芯片在1085范围内精度为0.5，非常适合锂离子电池温度检测5；2010年，郑州宇通客车有限公司王永秋等设计了基于NTC热敏电阻的电池温度测量电路，该电路可以实时了解电池温度情况，提前预防异常情况，有效提高电动客车的安全性6；综合国内外对于动力电池内部温度检测的研究状况，为了更为直观、方便对汽车动力电池内部温度进行动态监测，发掘新型的监测技术成为一个重要的趋势。 电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)是近年来发展起来的一种两相流/多相流测量技术，主要由电容传感器、电容数据采集系统、图像重建算法三部分组成，通过检测被测物体内部介电常数分布来实现对整个截面上的物质分布测量，并能克服测量空间不透明的问题。国外最早开始基于电容传感机理的过程层析成像技术研究工作的是以英国曼彻斯特理工学院(UMIST)M.S.Beck教授为首的研究团队，他们于1988年率先研制成功一种8电极电容层析成像系统并成功应用于气/固两相流静态模型的测试。随后于1990年进一步将其改进成为了12电极的电容层析成像系统。与此同时，美国能源部摩根城能源技术中心也成功研制一种在线检测流化床内物料密度三维分布的电容层析成像系统7。1991 年，世界上第一台实时电容层析成像系统在英国曼彻斯特大学理工学院建成8。1999年，Ostrowski K 等人借助电容层析成像系统对粉末输送环节进行实时可视化监测9。2001年，Warsito等人将电容层析成像系统应用于两相流和多相流中，并应用神经网络实现图像重建。2005年，日本佐贺大学Akira Kimotoi等通过提出新的测量系统和重建算法证明了基于电容层析成像技术的人类头部温度场测量的可行性10。2006年，Wajman 等人开展三维电容层析成像系统的研究，获得直接三维电容层析成像技术有巨大潜力这一结果11。国内在20世纪90年代开展了相关研究。1999年，颜华等人通过五面体或六面体进行有限元剖分，建立了电容层析成像传感器的三维模型。中科院工程热物理研究所在2000年与英国曼彻斯特大学合作开发世界上第一部 16通道可供实用新型数据采集系统，其性能明显超过前一代采集系统，系统软件为 32 位12。2004年，王海刚等人通过电容层析成像技术测试旋风分离器的固体颗粒速度、流量及浓度等过程参数13。2012年，华南理工大学学者提出一种基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法及系统14。目前，ECT技术已被应用于气液两相流空隙率测量及流型识别、流化床气固两相浓度分布可视化、气力输送、火焰可视化、冻土水分迁移过程的可视化等多个领域。综上研究，目前虽对ECT技术进行广泛研究和应用，但未见将其应用在被测物内部温度检测方面的国内外研究报道。针对电容层析成像技术的方法特点，结合软壳动力电池组的内部结构特点，将介电常数与动力电池内部温度相联系，探索软壳动力电池组内部温度检测新方法，对软壳动力电池安全性检测具有建设性作用。 参考文献1 CHEN Y F，JAMES W，et la. . Calculation of temperature rise in lithium polymer batteries of Sandia conceptual designs during USABC Dynamic Stress Test J. Journal of Power Sources, 1998, 70: 240 -246.2 C. Forgez, D.V. Do, G. Friedrich, M. Morcrette and C. Delacourt, Thermal modeling of a cylindrical LiFePO4/graphite lithium-ion batteryJ, Journal of Power Sources, 2010,195: 2961-2968.3 R. Srinivasan, B.G. Carkhuff, M.H. Butler and A.C. Baisden, Instantaneous measurement of the internal temperature in lithium-ion rechargeable cellsJ, Electrochimica Acta , 2011, 56:6198-6204.4 M. Fleckenstein, S. Fischer, O. Bohlen and B. Bker, Thermal Impedance Spectroscopy A method for the thermal characterization of high power battery cellsJ, Journal of Power Sources, 2013,223:259-267.5 付进军,齐铂金,吴红杰,郑敏信.动力电池组管理系统总线测温技术研究J.中国测试术,2004(11）： 10-116 高琛.串联电池电压及温度测量方法研究J.传感器世界,2011(03)7 Beck MS,Williams RA.Process tomography: a European Innovation and its applications. Measurement Science and Technology ,1996.7（3）:215-2248 王化祥,杨五强.电容过程成像技术的进展J.仪器仪表学报, 2002.2.21(01):49 Ostrowski K, Luke S P, Bennett M A, et al. Real time visualisation and analysis of dense phase powder conveying. Powder Technology, 1999(102): 113.10 Akira Kimoto,Takayuki Nakatani.Reconstruction of Temperature Patterns in the Cylindrical Head Model From Electrical Capacitance TomographyJ.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2005, 54(6)11 Wajman R, Banasiak R. Spatial imaging with 3D capacitance measurements. Meas. sci. technology, 2006, 17: 21132118.12 刘靖.电容层析成像技术在冻土物质分布及其动态变化测试中的应用研究D.中国科学院研究 生院（工程热物理研究所）,200713 王海刚,阎润生,刘石等.电容层析技术在旋风分离器及料腿中固体颗粒浓度、速度和流量14 凌鹏涛.基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法及系统D.华南理工大学,2012（四）创新点与项目特色提出基于电容层析成像的软壳动力电池内部温度检测方法，实现对软壳动力电池内部温度的无损检测，并形成一套完整的动力电池组内部温度实时在线检测装置及系统。基于ECT的软壳动力电池传感模型设计，在实现传统绝缘保护功能的同时，能够将电极传感器集成在内，完成ECT的检测工作。提出动力电池介电常数与内部温度的关系，进一步可实现对动力电池内部温度的实时跟踪检测。（五）技术路线、拟解决的问题拟解决关键问题：ECT中的电极排列方式种类繁多，针对软壳动力电池内部温度的检测模式，选取何种电极片的排列方式能够达到理想效果；为了防止动力电池之间的短路等危险发生，如何设计安全的传感模型，同时又能保证电极片与软壳动力电池的接触稳定性；内部温度、介电常数的关系是解决ECT在动力电池组内部温度检测的核心理论基础，如何描述这种关系； 设计技术路线:本项目采用理论分析、数学建模和实际试验及应用相结合的研究方法，采用“总体单元综合实验-评估”的技术路线，以基于ECT的软壳动力电池内部温度场检测装置研制为题。从技术层面上，首先以单体软壳动力电池内部介电常数与温度关系作为基础理论研究，为动力电池组内部温度检测机理奠定基础；其次，设计动力电池三维传感模型，以及结合相应的三维图像反演技术，形成动力电池内部温度检测装置及系统；最后，对动力电池的内部温度安全性能进行安全评估，进一步的对系统性能进行提高，具体的技术路线如图5-1所示。总体设计与方案分析基于ECT的软壳动力电池内部温度场测量基础理论研究软壳动力电池ECT传感器设计软壳动力电池温度检测硬件电路设计单片机模块软壳电池内部温度图像重建系统集成及调试方法绝缘层设计介电常数与温度关系电极片及其阵列屏蔽罩设计动力电池组内部温度安全性能评估极板控制电路电容检测放大电路相敏解调和低通滤波图像整合拼接图像重建算法软件编程开发基于ECT的软壳动力电池内部温度检测装置性能提高结题图5-1 技术路线图（六）项目研究进度安排 第一阶段（2014年01月2014年04月） 项目总体方案设计、需求分析及规划，研究目标的分解、确定各项研究任务，分配到各研究人员。实现目标分解，以便于项目组能更好地、协调地开展研究工作。 第二阶段（2014年04月2014年08月） 研究基于ECT的动力电池组内部温度检测机理，包括ECT理论基础分析，动力电池实验方案设计，介电常数与内部温度的确定等。 第三阶段（2014年09月2015年06月） 研究基于ECT的多维传感模型设计，实现电极阵列的安装与固定，主要包括绝缘层设计、电极阵列的排列方式、三维ERT检测系统的设计。设计适用于ECT的多维传感模型的硬件电路。 第四阶段（2015年07月2015年12月） 目标是整合在前三阶段以及完成的各个模块，实施基于ECT的动力电池组的内部温度场三维检测新方法，研制出基于ECT的软壳动力电池组内部温度场检测装置，对该装置进行调试与实验。（7） 项目经费预算科目申请经费（元）备注差旅费1000项目调研、模块制作交通费等资料费500购买书籍、资料检索费等材料费4000购买电子元器件、制作电路板、电极片等论文和申请发明专利费3500申请发明专利1项（学校）、论文2篇版面费其它费用1000资料制作、打印等办公费合计10000（八）项目预期成果提交完整的总结报告1份；开发基于ECT的动力电池组内部温度场监测仪器样机；申报发明专利1项；发表学术论文2篇。（九）已有基础1. 是否在校级或省级项目基础上进行本次申报（如是，请写明项目类别、立项年份、项目名称、负责人姓名）本项目是在20132014年度校级SRP项目基础上进行拓展。SRP项目名称：“新能源汽车动力电池组内部温度场监测系统开发”；负责老师：洪晓斌。2. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩目前研究小组初步完成了几项基础性工作：（1） 软壳动力电池ECT温度测量传感器设计ECT方法的理论探讨及分析，包括测量原理及误差分析，并针对单体动力电池的ECT检测系统设计，确定适用于二维检测的电极排列方式，根据聚合物锂离子电池的结构特点和应用场合，设计了一种适用于聚合物锂离子电池电容层析成像温度测量系统的新型电容层析成像传感器，传感器结构如图1。 (b)ECT传感器俯视图电极屏蔽罩聚合物电池绝缘层 (a)ECT传感器主视图金属电极板保护电极环（始终接地）保护电极环(始终接地）图1 ECT电容层析成像电容传感器通过实验分析ECT应用于单体动力电池检测上的可行性。实验采用的是软壳聚合物锂离子单体动力电池，如图3所示。其容量为10Ah，内阻约为10m，放电温度为-20+60，循环工作寿命周期为15002000次。尺寸规格为220mm80mm10mm，电池两侧装有电极片。激励电极通过传输电缆连接至信号发生器，接收电极连接至示波器。采用5V，500kHz的正弦电压作为激励源，以在电池内部形成电场。实验结果表明，示波器可以采集到稳定的正弦波信号，这验证ECT方法在动力电池检测的适用性。其他试验条件不变，改变激励电极和接收电极的间距，示波器采集的正弦波信号随着电极间距的变化而发生变化，说明电场检测的效果受到电极间距的影响。其他实验条件不变，正弦波信号电压为固定值5V，输入频率由100kHz800kHz逐渐增大，测试在不同输入频率下示波器采集到的信号特征。实验结果显示，在500kHz的激励信号下，系统线性和稳定性良好。 通过实验可以验证ECT方法在动力电池检测的适用性，且表明电场检测的效果受到电极间距和激励信号的影响。（2） 电池检测夹子根据软体电池的结构特点，为实现ECT方法在动力电池检测效果最优化。现自行设计一种电池检测