新能源汽车的动力电池系统是一个复杂的电化学能量存储单元，其性能与安全性高度依赖于内部物理状态的稳定。在电池的制造、封装及使用过程中，机械力的精确控制与监测构成了保障其效能与寿命的一个基础且关键的物理维度。扭力传感器与测力传感器在此维度中扮演着不可或缺的角色，它们将抽象的力学量转化为可量化、可分析的电信号，为电池系统的质量控制与健康管理提供了数据基石。
01力学监测在电池系统中的非电学意义
通常对电池的讨论集中于电压、电流、温度等电学与热学参数，然而，机械力是影响其内部化学稳定性的另一重要物理场。电池单体由正负极片、隔膜、电解液等材料堆叠或卷绕而成，其内部存在复杂的机械应力。例如，在充放电过程中，锂离子在电极材料中的嵌入与脱出会导致电极材料体积膨胀与收缩，产生周期性内应力。电池模组则由多个单体通过结构件固定、串联并联而成，需要确保各单体承受均匀的约束力，避免因受力不均导致的变形、接触不良或局部过热。
扭力传感器与测力传感器的介入，正是为了量化和管理这些力学过程。它们的测量对象并非电池直接输出的电能，而是施加于电池及其关联结构上的力矩与线性力。这种监测的意义在于预防由机械问题引发的电化学失效，例如，电池连接端子的螺栓若紧固扭力不足，可能导致接触电阻增大，引起异常发热；若扭力过大，则可能损伤端子结构或电芯壳体。同样，在模组压紧过程中，对电芯施加的堆叠压力需要精确控制在合理范围内，压力过小可能使电芯在车辆振动中发生相对位移，影响电气连接；压力过大则可能压坏电芯内部结构，加速性能衰减。
02传感器功能实现的技术路径分野
尽管扭力传感器与测力传感器最终都输出与力相关的电信号，但其技术原理与应用场景存在明确分野，这种分野源于它们所测量的力的作用形式不同。
扭力传感器的旋转力矩捕获机制
扭力传感器专用于测量旋转轴所传递的扭矩或紧固件所承受的旋转力矩。其核心是感知由扭转产生的剪切应力。一种常见的技术路径是采用应变计。将电阻应变计以特定角度粘贴在弹性扭力轴上，当轴受到扭矩作用发生微小扭转变形时，应变计的电阻值会发生相应变化。通过惠斯通电桥电路将电阻变化转换为电压信号，即可精确计算出扭矩值。在新能源汽车电池领域，其典型应用场景包括电池包箱体盖板密封螺栓、高压电气连接端子螺栓、模组固定螺栓的紧固过程控制。安装于电动拧紧工具或固定工装上的扭力传感器，能够实时反馈紧固力矩，确保每一处连接点的紧固力都符合工艺规范，从而保障电池系统的结构完整性与电气可靠性。
测力传感器的线性力感知方式
测力传感器主要用于测量沿单一方向作用的拉压力或压力。其技术基础同样是力学形变到电信号的转换，但形变模式不同。对于电池应用，以压向力测量最为常见。传感器内部通常包含一个由特种合金制成的弹性体，在受到压力时会发生微米级的形变。粘贴于弹性体敏感部位的应变计随之形变，引起电阻变化。另一种技术路径是采用压电效应，某些晶体材料在受到压力时表面会产生电荷，电荷量与所受压力成正比，通过测量电路可转换为力值信号。在电池制造与测试中，测力传感器被用于监测电芯入壳压力、模组堆叠压紧力、电池包振动测试时的机械载荷等。例如，在模组装配线上，通过集成测力传感器的压板，可以精确控制对电芯堆施加的恒定压力，确保电芯间接触稳定且不受损。
03从数据采集到性能评估的闭环
传感器本身是数据源头，其价值在于将采集的力学数据融入电池全生命周期的质量与健康管理体系。这个过程构成了一个从物理测量到性能评估的反馈闭环。
在制造端，传感器数据直接用于工艺控制。每一颗关键螺栓的最终拧紧扭矩曲线（扭矩-转角-时间）被记录并分析，与标准工艺窗口进行比对，任何偏离都意味着潜在的装配缺陷。同样，每个电池模组的最终压紧力数据被记录在案，形成该模组的“力学档案”。这些数据与后续的电性能测试数据（如内阻、容量）关联分析，可以建立力学装配质量与电性能初始状态之间的相关性模型，用于优化工艺参数。
在测试与使用端，力学数据用于安全预警与寿命评估。在电池包进行机械冲击、振动或挤压测试时，布置在关键位置的测力传感器可以实时监测内部结构的受力情况，为结构安全设计提供验证数据。更为前沿的应用探索在于，通过监测电池在长期充放电循环中，其内部应力或外部约束力的微小变化，来间接推断电极材料的力学老化状态。例如，有研究试图通过监测模组约束力的弛豫变化，来评估电芯整体的膨胀老化程度，这为电池健康状态（SOH）的估算提供了一个新的非电学参数维度。
04技术适配性与环境挑战
应用于新能源汽车电池领域的力传感器，需满足一系列特殊要求，这决定了其设计与选型多元化具有高度的环境适配性。
首先是精度与稳定性的高要求。电池制造是精密工艺，力矩或压力的控制误差可能直接影响产品一致性。传感器需具备高线性度、低滞后性和良好的重复性。其次是对复杂电磁环境的抗干扰能力。电池工厂及电动汽车内部存在大量变频器、电机驱动等强电磁干扰源，传感器信号输出多元化稳定可靠，通常需要良好的屏蔽设计和稳定的信号传输协议。
再次是环境耐受性。电池测试或工作环境可能涉及温湿度变化、化学腐蚀（如电解液潜在泄漏）、机械振动等。传感器需要具备宽温区工作能力，其外壳与敏感元件需采用耐腐蚀材料进行保护，整体结构需具备高机械强度与抗疲劳特性。最后是集成与数字化需求。现代智能产线要求传感器能够便捷地集成到控制系统中，提供数字信号输出（如CAN总线、以太网等），便于数据的上传、存储与分析，实现制造过程的可追溯性与智能化管理。
05力学参数作为电池系统隐性坐标的结论
在新能源汽车电池系统的多维参数空间中，力学量构成了一个常被忽视但至关重要的隐性坐标。扭力传感器与测力传感器的作用，正是为这一坐标轴提供精确的刻度。它们的工作贯穿于电池的制造装配、测试验证乃至潜在的健康监测环节，将螺栓的旋转紧固力矩、电芯的堆叠压紧力等物理量，从难以把握的“手感”或经验值，转化为客观、精确、可追溯的数字记录。
这一过程的技术实质，是通过高精度的机电信号转换，为电池系统的机械完整性建立量化基准。其最终价值并非直接提升电池的能量密度或充放电速度，而是通过保障每一个连接点的可靠、每一处受力的合理，从底层物理层面筑牢电池安全与一致性的基础，减少因机械问题导致的性能衰减或失效风险。这类传感器的应用深化，反映了电池行业质量控制从电化学性能主导，向电-热-机多物理场协同监测发展的精细化趋势。其对电池性能的监测，是一种间接但 foundational（基础性）的保障，通过确保电池处于优秀的机械环境之中，为电化学性能的稳定发挥提供了必要的物理前提。
全部评论 （0）