具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在此公开一种能通过高分辨率地实时在线无损检测电池的电流密度分布状况来确定电池故障位置及故障原因的基于磁电效应的磁成像阵列传感器。图1是根据本发明一实施形态的基于磁电效应的磁成像阵列传感器（以下简称“磁成像阵列传感器”）100的结构示意图。

磁成像阵列传感器100包括外屏蔽层10、机械支撑层、导电层、磁电敏感元阵列以及多个前置电路50。更具体地，如图1所示，磁成像阵列传感器100包括外屏蔽层10、设置于外屏蔽层10底部的第一机械支撑层21、位于第一机械支撑层21的上方的第一导电层31、设置于第一导电层31的上方的磁电敏感元阵列、位于该磁电敏感元阵列的上方的第二导电层32、位于所述第二导电层32的上方的第二机械支撑层22、以及设置于第二机械支撑层22的上方的多个前置电路。

[外屏蔽层]

外屏蔽层10是磁成像阵列传感器100的外侧壳体，形成为中空的大致扁平长方体状。外屏蔽层10可以由铝、铜箔或外表涂金的树脂等构成，其在保护磁成像阵列传感器100的内部结构的同时还能在磁成像阵列传感器100的周围形成良好的静电屏蔽。

[机械支撑层]

机械支撑层如上所述包括第一机械支撑层21和第二机械支撑层22，主要用于对磁成像阵列传感器100的各内部结构形成支撑。此外，机械支撑层还可以包括设置于上述第一机械支撑层21和第二机械支撑层22的一对机械支撑柱23，用于在两者之间形成支撑。更具体地，本实施形态中，第一机械支撑层21层叠设置于外屏蔽层10的内部底面上，第二机械支撑层22通过上述一对机械支撑柱23跨设于后述磁电敏感元阵列的上方。第一机械支撑层21、第二机械支撑层22和机械支撑柱23可由合成树脂、尼龙等机械强度高、韧性好、耐热、重量轻、无磁、绝缘的材料构成，由此能确保磁成像阵列传感器100的机械稳定性与可靠性。

[导电层]

导电层如上所述包括第一导电层31和第二导电层32，主要用于屏蔽环境中的电磁干扰。具体地，第一导电层31层叠设置于上述第一机械支撑层21的上表面，第二导电层32层叠设置于上述第二机械支撑层22的下表面，由此能在上下两个方向上覆盖后述的磁电敏感元阵列，保护其不受环境中的电磁干扰，从而改善磁成像阵列传感器100的成像分辨率。此外，如图1所示，本实施形态中在第二机械支撑层22的上表面还设置有第三导电层33，通过设置该第三导电层33能进一步保护前置电路中的信号不受环境中的电磁干扰。这些导电层可以由铜、铝等金属构成，并通过导线连接后述前置电路中的电源负端，环境中的电磁干扰信号进入这些导电层时，最终导入到电源负端，从而避免影响前置电路中的信号。

[磁电敏感元阵列]

在第一机械支撑层21和第二机械支撑层22之间、更具体地在第一导电层31和第二导电层32之间设置有磁电敏感元阵列，主要用于检测电池上方空间的二维磁场分布情况。本实施形态中，磁电敏感元阵列可构成为由多个磁电敏感元40按行列排列成n×m的二维成列，但本发明不限于此，磁电敏感元阵列中磁电敏感元40的行列个数和整体数量可以根据实际测量需求进行调节。在电池结构特殊的情况下，也可以根据电池形状调整，并非一定要形成四边形，也可以是排列为其他形状或是形成为一维阵列。

磁电敏感元40由磁电复合体和设置于该磁电复合体两端的磁铁构成。图2示出了构成磁电敏感元阵列的单个磁电敏感元40的结构。如图2所示，磁电敏感元40包括磁电复合体和一对磁铁43。该磁电复合体由两层磁致伸缩材料41和位于两层磁致伸缩材料41之间的一层压电材料42通过例如粘接等复合而成。磁致伸缩材料例如可以是Terfenol-D、Metglas等，压电材料例如可以是PMNT、BaTiO3、PZT等。两块磁铁43分别设置于上述磁电复合体的两端，主要用于为磁电复合体中的超磁致伸缩材料提供最优偏置磁场，磁铁43例如可以是永磁铁。又如图1所示，各磁电敏感元40以磁致伸缩材料41和压电材料42层叠的方向为上下方向设置于第一导电层31的上方，由此排列构成磁电敏感元阵列。这种设置方式可以使磁电敏感元处于两个导电层之间，可免受电磁干扰。另外，图1中省略了磁电敏感元40两侧设置的磁铁43。

[前置电路]

在第二机械支撑层22的上方、具体而言在第三导电层33的上方与上述磁电敏感元阵列中的各磁电敏感元40对应地设置有多个前置电路50。这些前置电路50用于将磁电敏感元40输出的电荷信号转变为电压信号，主要发挥与磁电敏感元40的阻抗匹配、信号放大、抑制零漂、滤波等功能，其例如可以是常见的具有阻抗匹配、抑制零漂、滤波功能的放大电路等。

通过从磁电敏感元40的磁电复合体上引出带屏蔽外壳的信号线51作为信号输出端而与前置电路50的信号输入端相连，由此当磁致伸缩材料41感应到电池周围的磁场波动时，磁致伸缩材料发生伸缩形变，该形变作用于压电材料42上，从而在压电材料的上下表面形成电荷，该电荷被前置电路50采集并转换成可测量的电信号（即电压信号）。此外，除了信号线51之外，前置电路上还设置有将信号向未图示的信号处理单元传输的信号线等其他多根导线。

[柔性导电层]

此外，在磁成像阵列传感器100中还设置有柔性导电层，该柔性导电层包括第一柔性导电层61和第二柔性导电层62，主要用于柔性连接上述导电层与磁电敏感元40。具体地，如图1所示，在第一导电层31与磁电敏感元阵列的底部之间设置有第一柔性导电层61，在磁电敏感元阵列的顶部与第二导电层32之间设置有第二柔性导电层62。这些柔性导电层可以由柔性导电银胶、柔性电路板等构成，主要作用为保障导电层和磁电敏感元40之间的柔性连接，降低磁电敏感元40所受到的上下方向的夹持，提高磁电敏感元40的磁电响应。

其中，第一柔性导电层61以沿水平方向延伸的形式分别铺设于第一导电层31的上表面与各磁电敏感元40的底部之间。第二柔性导电层62分别对应地设置于各磁电敏感元40的顶部，通过带屏蔽外壳的信号线51连接对应的前置电路50的输入端，该信号线51可以把磁电敏感元40感知的信号输入到前置电路50进行信号调理。本实施形态中，信号线51插通第二导电层32、第二机械支撑层22和第三导电层33而与前置电路50的输入端连接，但不限于此，信号线51也可以是从侧面绕过上述各层而连接上述第二柔性导电层62和前置电路50的输入端。

像这样，本发明构成为在外屏蔽层10内设置用于支撑的机械支撑层，在机械支撑层的内侧表面铺设用于屏蔽环境中的电磁干扰的导电层，且在各导电层的内侧表面分别铺设用于进行柔性连接的多个柔性导电层，并将由多个磁电敏感元40以阵列形式排列而成磁电敏感元阵列设置于柔性导电层之间，再通过从各磁电敏感元40分别引出信号线连接至对应设置于其上方的前置电路，由此能够获得与各磁电敏感元40所处位置的电池磁场对应的电压信号。

这些电压信号可通过磁电效应公式转变为磁场值，对磁场值进行微分可得到电池上表面的电流密度值，对这些值按各自行列位置排列，并根据相邻位置值的大小画图（例如，箭头指向绝对值大的位置），可得电池上表面的电流密度分布图。图3是将磁成像阵列传感器100的检测值换算得到的电池内部电流密度分布图，（a）示出了健康的电池的内部电流密度分布的一个示例，（b）示出了发生故障的电池的内部电流密度分布的一个示例。如图3中（a）、（b）所示，当电池内部的某一位置发生例如短路等故障时，电池在该位置磁场发生变化，因此在该位置上方的磁电敏感元40中磁致伸缩材料41发生应变引起压电材料42产生异常电荷，该电荷经前置电路50和未图示的信号处理模块处理后转变为异常的磁场值，进而在求微分后得到电池上表面的异常的电流密度区域。当该区域上出现异常的电流密度区域时，即可判断电池发生了故障，且可以通过人眼识别或自动识别算法等判断电池的故障位置。

本发明具有结构简单、体积小、成本低和能在常温下使用的特点。且由于设置了用以形成静电屏蔽的外屏蔽层和屏蔽电磁干扰的导电层，因此具有较强的抗干扰能力。此外，通过设置将磁电敏感元与导电层柔性连接的柔性导电层，能减少磁电敏感元受到的夹持，提高磁电敏感元的磁电响应，从而改善空间分辨率。本发明通过由多个磁电敏感元构成的磁电敏感元阵列和设置于其上方的前置电路实时在线无损地给出电池内部的精细的电流密度分布，能根据电流密度分布图准确定位电池的局部故障位置，及早发现电池发生故障并更换故障电池，有助于避免起火事故的发生，提升电池使用的安全性。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。