高壓電池熱特性分析

高壓電池的熱特性分析需要使用大量傳感器對電池進行精確的溫度測量。只有對電池電芯和整個系統(tǒng)的熱特性進行準確的測量與分析，才能進一步優(yōu)化其性能。采用HV DTemp測量系統(tǒng)，只需一根傳感器電纜，便可同時使用多達512個傳感器對電池電芯溫度進行測量。

背景

Background

鋰離子電池的性能受溫度影響很大，其最佳工作溫度范圍為15°C至35°C。在較低溫度下，電池中的化學過程明顯減緩，從而降低了電池性能；過高的溫度也會產(chǎn)生類似的影響。在極端情況下，可能導致自燃（即熱失控）。電池內(nèi)部發(fā)熱是造成內(nèi)部溫度過高的重要原因，源自充電和放電過程中的電荷轉移和化學反應。隨著時間的推移，在不同的負載條件下，溫度也會發(fā)生變化。

溫度的空間分布不均勻：即使在單個電芯中，不同區(qū)域的溫度也可能存在較大差異。局部高溫區(qū)域（即熱區(qū)）可能會產(chǎn)生危險。熱區(qū)會增加內(nèi)部短路的風險，進而導致熱失控。無論是圓柱形電池、方形電池還是軟包電池，都會受到這類風險的影響。

為了避免電池熱特性對其性能的不良影響，高壓電池配備了溫度管理和冷卻系統(tǒng)，以確保在最佳溫度范圍內(nèi)運行。此外，電池內(nèi)部的溫度分布應該均勻，并且要能夠抵御外部的影響。

圖1：對軟包電池和電池模組進行準確的溫度測量是跟蹤電池外殼溫度分布的必要條件

要開發(fā)合適的溫度管理系統(tǒng)，必須了解電池殼體內(nèi)所有組件的熱特性。在開發(fā)階段通常會進行仿真。然而，仿真往往無法精確描述電池內(nèi)部的復雜化學反應過程及其影響，因此需要進行全面的溫度測量。

只有對單個電芯和整個高壓電池的熱性能進行詳細測量分析，才能全面了解其熱特性，并對仿真模型進行驗證。這些研究結果將有助于進一步優(yōu)化電池和溫度管理系統(tǒng)。

對高壓電池的熱特性進行測量需要考慮傳感器數(shù)量、空間需求以及如何避免干擾因素。為了確定電芯級的精確溫度曲線，需要數(shù)百個傳感器。傳感器及其傳感器電纜必須足夠小巧，以便安裝在電芯之間。傳感器的布置應該靈活多樣，以便能夠準確地檢測溫度曲線和熱點分布。此外，還必須能夠在電池內(nèi)外有限空間中安裝所需的測量設備。為了獲得真實的溫度測量結果，應盡量減小由于電池內(nèi)布置大型設備或電池外殼上有大量傳感器電纜開口而導致的電池結構變化。

圖2：高壓電池中不同的HV DTemp傳感器形狀

挑戰(zhàn)

Challenge

大量的溫度傳感器需要配套相應數(shù)量的傳感器電纜和測量模塊，然而在電池及其外殼中通常沒有足夠的空間來容納這些測量設備。

為了將傳感器安裝在電池電芯之間，傳感器和傳感器電纜必須做得非常纖薄。傳感器的安裝應簡便快捷，否則會因安裝數(shù)百個測量點而耗費過多時間。為了驗證溫度模型，可以通過仿真來定義測量點，并在CAD軟件中規(guī)劃布局。

計算出測量點的精確位置和傳感器的可重復布置可以確保更好的測量結果。

在測量對象時，應盡可能減少受測量技術影響，以避免測量結果的失真。此外，還應避免對傳感器電纜造成干擾。

最后，還必須確保在高壓環(huán)境中進行測量時用戶和系統(tǒng)的安全。

CSM HV DTemp測量系統(tǒng)允許通過單根傳感器電纜數(shù)字化、無干擾地獲取高達512個溫度測量點的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)紿V DTemp-P中央控制單元。

傳感器焊接在柔性印刷電路板上，在其底面進行點狀溫度測量。由于HV DTemp IC傳感器的高度較低，因此傳感器可以放置在電芯之間。根據(jù)測量點的不同，HV DTemp IC傳感器可選擇不同的型號。

用于功率母線的測量時，作為單獨的傳感器來使用，連接電纜可直接連接到HV DTemp控制器。

圖3：HV DTemp IC單一傳感器安裝在模塊外殼和母線上

最多可將四個IC溫度傳感器組合為一個傳感器組件，用于測量電池外殼的溫度，將它們通過連接電纜或小型分配板連接在一起。

在電池電芯之間，使用超薄柔性電路形態(tài)的溫度傳感器。這種排列方式可根據(jù)項目的具體要求進行選擇，并且具有可重復性。

HV DTemp IC傳感器通過HV DTemp-Mx控制器進行連接。根據(jù)控制器類型，最多可將16個傳感器組件（相當于64個溫度傳感器）連接到一個控制器。最多可輕松級聯(lián)8個控制器，不受類型限制，以支持最多512個溫度傳感器進行同時測量?？刂破鲗鞲衅鬟M行地址分配，提供電源并將溫度值傳輸?shù)街醒雴卧?。HV DTemp-Mx控制器提供電氣隔離和非隔離兩種類型。因此，根據(jù)項目的測量需求，所需的端口數(shù)量和隔離等級，可以選擇合適的控制器類型。

所有控制器通過一根高壓安全的傳感器電纜連接到HV DTemp中央單元。這意味著只需在電池外殼上鉆一個帶有PG螺紋的連接孔，因此對電池殼體結構的改變很小。

HV DTemp-P中央單元收集來自控制器模塊的數(shù)據(jù)，并通過電氣隔離，以確保高壓安全。此外，中央單元為每個測量點分配單獨的CAN-ID，以便進行識別。收集的溫度數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)?a target="_blank">上位機。

圖4：在電動汽車測量系統(tǒng)中對高壓電池的熱特性進行系統(tǒng)性表征

優(yōu)點

Advantage

整個HV DTemp測量系統(tǒng)符合安裝空間的要求。傳感器可以被放置在電池電芯之間，從而允許在電芯級別精確獲取溫度曲線。傳感器的布置非常靈活，可以根據(jù)要求精確測量熱點區(qū)域。傳感器作為柔性電路可以在電芯之間精確復用。

HV DTemp-Mx控制器設計得非常纖薄，可以安裝在電池殼體內(nèi)。由于電池外只需要一個測量模塊，設計極其節(jié)省空間，測量電纜對電池結構的影響很小。

數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)傳輸確保了無干擾和測量點的準確識別。與模擬傳感器可能存在的傳感器電纜干擾和因此產(chǎn)生的測量值失真相比，數(shù)字傳感器避免了這些風險。

通過CAN總線，測量系統(tǒng)可以輕松與其他測量模塊級聯(lián)，以獲取更多的物理量或集成到現(xiàn)有的臺架中。

精選產(chǎn)品

HV DTemp

CSM HV DTemp測量系統(tǒng)通過單根電纜連接到HV DTemp中央單元，以數(shù)字化方式對高達 512 個溫度測量點進行精確測量。利用靈活且可復用的 HV DTemp IC 傳感器布置，可以在電池電芯之間精確記錄溫度曲線。