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1、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 1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
2、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。2一、基本情况二、立项依据（加页详述）（1）研究目的项目名称 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 月姓名 郑国华 性别 男 民族 汉 出生年月 1993.08学号 201230040372 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 13710224901 E-mail 负责人参与科研情况20
3、14 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” ；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 13826471604 劳振鹏 大二 机械与汽车工程学院 机械创新班 13660149730 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） 13660470489 项目组成员梁聪垣 大二 自动化科学与工程学院 13672416510 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 13711229472 指导教师承担科研课题情况2012年度粤港关键领域项目(2012A
4、090200005)“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）.15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
5、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
6、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
7、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16二十一世纪，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
8、)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
9、，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
10、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
11、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2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
12、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
13、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
14、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
15、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 2-246.2 C. Forgez, D.V. Do, G. Friedrich, M. Morcrette and C. Delacou
16、rt, 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, 56:61
