電池環境溫度安全邊界測試的試驗箱控制模塊

賴人評 秦立福 明春發

摘要：通過試驗箱控制模塊獨立溫度傳感器，監測新能源汽車動力電池單體體表溫度，以精準獲取電池環境溫度安全邊界。對控制模塊界面優化設計，并植入可變量程式，實現測試過程自動化，消除了人為作業的測試偏差，減少測試員勞動強度。

關鍵詞：新能源汽車；動力電池；安全邊界；試驗箱；控制模塊；溫度；程式

新能源汽車動力電池在環境溫度上升到一定限值以后，必將發生熱失控，一旦發生熱失控，將快速形成高溫及破壞力，從而危害到司機和乘客的人員安全及造成財產損失。但是電池采用不同的材料體系和工藝方式，發生熱失控的環境安全邊界溫度也是不一樣的。隨著百姓對新能源汽車，特別是對動力電池安全性的關注度越來越高，摸底測試電池所能承受的環境安全邊界溫度是很有必要的。

為了解電池所能承受的環境安全邊界溫度，需要對電池進行安全邊界溫度摸底測試。一般采用的測試裝置是溫度試驗箱，測試樣品為電池單體。樣品放入試驗箱之后，操作步驟大致如下：以預設速率升溫到指定溫度→恒定若干時間，以等待電池體表溫度上升→再保持30min，即完成了一個溫度點位測試過程。再跳轉到下一個更高的試驗溫度，如此反復循環，直到電池起火。

但是試驗箱每次循環升溫后，電池體表溫度上升往往都會滯后，并且滯后的時間還不是一個定值，從幾十秒鐘到幾分鐘、幾十分鐘不等，由此導致以下問題：

1）試驗箱在溫度梯度運行時，恒定時間設置過短，電池體表溫度還沒有到達即跳轉到了下一個溫度點進行試驗。或者恒定時間設置過長，電池體表溫度早已到達，卻不能及時跳轉到下一個溫度點進行試驗。

2）容易將電池起火之前試驗箱的設定溫度錯誤地判斷為電池安全邊界溫度。

3）即便采用一個外置的測溫儀，用來監測電池體表溫度，并在條件到達后手動操作試驗箱，實現溫度試驗點跳轉，也需要安排專人實時目視溫度變化，并且仍然存在一定的時間偏差和產生視覺疲勞。

為了精準獲取電池環境溫度安全邊界，消除人為作業的測試偏差，并減少測試員的勞動強度，升級改造了一種控制模塊。

控制模塊的設計

1.設計構思導入

電池安全邊界溫度測試的架構示意圖如圖1所示。對控制模塊設置了2套溫度傳感器（T1和T2），其中T1用于監視試驗箱環境溫度，T2獨立用于監測電池體表溫度，以精準獲取電池起火之前的瞬間邊界溫度極限值，達到安全邊界摸底測試的目的。

電池安全邊界溫度摸底測試的步驟如圖2所示。

試驗操作時，步驟五完成之后，再跳轉到步驟三，試驗下一個更高的溫度點，如此反復循環，直至電池起火。步驟四由設置恒定若干時間改為恒定至電池體表溫度達到設定值，從而消除恒定時間設置過長或過短導致的測試條件偏差。

電池安全邊界溫度試驗箱控制模塊的界面布局和運行程式如圖3所示。對控制模塊的界面進行優化設計，適合人機對話，豐富界面信息，并植入可變量的運行程式，以實現測試過程自動化和精準智能控制。

2.工作原理

設計的電池環境溫度安全邊界試驗箱控制模塊包括溫度傳感器T1、溫度傳感器T2、溫度控制模塊和控制程序四個部分。

溫度傳感器T1用來采集試驗箱的環境溫度。溫度傳感器T2用來采集電池的體表溫度。溫度控制模塊是架構的核心載體，擁有7in（1in=25.4mm）顯示界面，可以在界面上輸入測試程式、也可以通過界面查看測試數據，并通過端口實現測試數據遠程傳輸。控制程序主要是指電池安全邊界溫度試驗的可變量測試程式，以及預設的控制邏輯程序子符串。本案例中以T1溫度傳感器的輸出信號作為溫度試驗箱升溫到指定溫度的判定條件，以T2溫度傳感器的輸出信號作為電池體表溫度恒定保持、程式跳轉的判定條件。

將溫度控制模塊的運行程式和界面布局固化，即可實現每次電池安全邊界溫度摸底測試直接調用程式，實現自動化和智能化，消除人為作業的測試偏差，減少測試員勞動強度。

試驗驗證

試驗條件：由試驗箱環境溫度從25℃常溫開始，以5℃/min的速率升溫到30℃，進入溫度恒定，待電池體表溫度也達到30℃后，保持30min；再升溫至35℃，進行下一個溫度點位試驗……以此類推，直到電池起火，試驗結束。

具體實施案例：試驗箱環境溫度T1在25℃的條件下以5℃/min的速率升溫至30℃，再溫度恒定，等待電池體表升溫，當電池體表溫度T2也達到30℃時開始計時，保持30min。時間滿足后，跳轉到下一個溫度點試驗。

試驗箱升溫至35℃，再溫度恒定，等待電池體表升溫，當電池體表溫度T2也達到35℃時開始計時，保持30min。時間滿足后，跳轉到下一個溫度點試驗。

……

重復上述過程，直到電池到達150℃時，電池體表溫度瞬間急劇上升、起火燃燒，測試結束。

試驗箱環境溫度與電池體表溫度曲線對照如圖4所示。

通過試驗案例可以看出：

1）溫度試驗箱控制模塊設置2套溫度傳感器，并用其中1套獨立監測電池體表溫度，可以更加真實、精準地獲取到電池起火瞬間電池體表上的溫度值，避免了將電池起火之前試驗箱設定溫度判斷為電池安全邊界溫度的錯誤，達到電池安全邊界溫度摸底測試的目的。

2）溫度點梯度試驗跳轉的控制條件由設置若干恒定時間改為電池體表溫度達到設定值。避免了恒定時間設置不準確導致測試條件偏差的問題，過早或過遲的跳轉到下一個梯度點溫度進行試驗。

3）對控制模塊的界面進行優化設計，并植入可變量的運行程式，實現測試過程自動化和智能化，消除了人為目視顯示屏溫度變化導致的視覺疲勞和手動操作產生的時間偏差。每次電池安全邊界溫度摸底測試時，調用這個程式即可，減少測試員的勞動強度。

結語

通過升級改造電池環境溫度安全邊界測試的試驗箱控制模塊，可以精準獲取電池環境溫度的安全邊界數據，避免測試條件偏差，達到實驗目的；也可以減少測試員的勞動強度，是 “機器代替人”的又一次實踐。

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