電池環(huán)境溫度安全邊界測(cè)試的試驗(yàn)箱控制模塊

賴人評(píng) 秦立福 明春發(fā)

摘要：通過試驗(yàn)箱控制模塊獨(dú)立溫度傳感器，監(jiān)測(cè)新能源汽車動(dòng)力電池單體體表溫度，以精準(zhǔn)獲取電池環(huán)境溫度安全邊界。對(duì)控制模塊界面優(yōu)化設(shè)計(jì)，并植入可變量程式，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程自動(dòng)化，消除了人為作業(yè)的測(cè)試偏差，減少測(cè)試員勞動(dòng)強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池；安全邊界；試驗(yàn)箱；控制模塊；溫度；程式

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

為了解電池所能承受的環(huán)境安全邊界溫度，需要對(duì)電池進(jìn)行安全邊界溫度摸底測(cè)試。一般采用的測(cè)試裝置是溫度試驗(yàn)箱，測(cè)試樣品為電池單體。樣品放入試驗(yàn)箱之后，操作步驟大致如下：以預(yù)設(shè)速率升溫到指定溫度→恒定若干時(shí)間，以等待電池體表溫度上升→再保持30min，即完成了一個(gè)溫度點(diǎn)位測(cè)試過程。再跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)更高的試驗(yàn)溫度，如此反復(fù)循環(huán)，直到電池起火。

但是試驗(yàn)箱每次循環(huán)升溫后，電池體表溫度上升往往都會(huì)滯后，并且滯后的時(shí)間還不是一個(gè)定值，從幾十秒鐘到幾分鐘、幾十分鐘不等，由此導(dǎo)致以下問題：

1）試驗(yàn)箱在溫度梯度運(yùn)行時(shí)，恒定時(shí)間設(shè)置過短，電池體表溫度還沒有到達(dá)即跳轉(zhuǎn)到了下一個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)?；蛘吆愣〞r(shí)間設(shè)置過長(zhǎng)，電池體表溫度早已到達(dá)，卻不能及時(shí)跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。

2）容易將電池起火之前試驗(yàn)箱的設(shè)定溫度錯(cuò)誤地判斷為電池安全邊界溫度。

3）即便采用一個(gè)外置的測(cè)溫儀，用來監(jiān)測(cè)電池體表溫度，并在條件到達(dá)后手動(dòng)操作試驗(yàn)箱，實(shí)現(xiàn)溫度試驗(yàn)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)，也需要安排專人實(shí)時(shí)目視溫度變化，并且仍然存在一定的時(shí)間偏差和產(chǎn)生視覺疲勞。

為了精準(zhǔn)獲取電池環(huán)境溫度安全邊界，消除人為作業(yè)的測(cè)試偏差，并減少測(cè)試員的勞動(dòng)強(qiáng)度，升級(jí)改造了一種控制模塊。

控制模塊的設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)構(gòu)思導(dǎo)入

電池安全邊界溫度測(cè)試的架構(gòu)示意圖如圖1所示。對(duì)控制模塊設(shè)置了2套溫度傳感器（T1和T2），其中T1用于監(jiān)視試驗(yàn)箱環(huán)境溫度，T2獨(dú)立用于監(jiān)測(cè)電池體表溫度，以精準(zhǔn)獲取電池起火之前的瞬間邊界溫度極限值，達(dá)到安全邊界摸底測(cè)試的目的。

電池安全邊界溫度摸底測(cè)試的步驟如圖2所示。

試驗(yàn)操作時(shí)，步驟五完成之后，再跳轉(zhuǎn)到步驟三，試驗(yàn)下一個(gè)更高的溫度點(diǎn)，如此反復(fù)循環(huán)，直至電池起火。步驟四由設(shè)置恒定若干時(shí)間改為恒定至電池體表溫度達(dá)到設(shè)定值，從而消除恒定時(shí)間設(shè)置過長(zhǎng)或過短導(dǎo)致的測(cè)試條件偏差。

電池安全邊界溫度試驗(yàn)箱控制模塊的界面布局和運(yùn)行程式如圖3所示。對(duì)控制模塊的界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，適合人機(jī)對(duì)話，豐富界面信息，并植入可變量的運(yùn)行程式，以實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程自動(dòng)化和精準(zhǔn)智能控制。

2.工作原理

設(shè)計(jì)的電池環(huán)境溫度安全邊界試驗(yàn)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(gè)部分。

溫度傳感器T1用來采集試驗(yàn)箱的環(huán)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(gòu)的核心載體，擁有7in（1in=25.4mm）顯示界面，可以在界面上輸入測(cè)試程式、也可以通過界面查看測(cè)試數(shù)據(jù)，并通過端口實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。控制程序主要是指電池安全邊界溫度試驗(yàn)的可變量測(cè)試程式，以及預(yù)設(shè)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(hào)作為溫度試驗(yàn)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(hào)作為電池體表溫度恒定保持、程式跳轉(zhuǎn)的判定條件。

將溫度控制模塊的運(yùn)行程式和界面布局固化，即可實(shí)現(xiàn)每次電池安全邊界溫度摸底測(cè)試直接調(diào)用程式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化，消除人為作業(yè)的測(cè)試偏差，減少測(cè)試員勞動(dòng)強(qiáng)度。

試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)條件：由試驗(yàn)箱環(huán)境溫度從25℃常溫開始，以5℃/min的速率升溫到30℃，進(jìn)入溫度恒定，待電池體表溫度也達(dá)到30℃后，保持30min；再升溫至35℃，進(jìn)行下一個(gè)溫度點(diǎn)位試驗(yàn)……以此類推，直到電池起火，試驗(yàn)結(jié)束。

具體實(shí)施案例：試驗(yàn)箱環(huán)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(dāng)電池體表溫度T2也達(dá)到30℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，保持30min。時(shí)間滿足后，跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)溫度點(diǎn)試驗(yàn)。

試驗(yàn)箱升溫至35℃，再溫度恒定，等待電池體表升溫，當(dāng)電池體表溫度T2也達(dá)到35℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，保持30min。時(shí)間滿足后，跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)溫度點(diǎn)試驗(yàn)。

……

重復(fù)上述過程，直到電池到達(dá)150℃時(shí)，電池體表溫度瞬間急劇上升、起火燃燒，測(cè)試結(jié)束。

試驗(yàn)箱環(huán)境溫度與電池體表溫度曲線對(duì)照如圖4所示。

通過試驗(yàn)案例可以看出：

1）溫度試驗(yàn)箱控制模塊設(shè)置2套溫度傳感器，并用其中1套獨(dú)立監(jiān)測(cè)電池體表溫度，可以更加真實(shí)、精準(zhǔn)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(yàn)箱設(shè)定溫度判斷為電池安全邊界溫度的錯(cuò)誤，達(dá)到電池安全邊界溫度摸底測(cè)試的目的。

2）溫度點(diǎn)梯度試驗(yàn)跳轉(zhuǎn)的控制條件由設(shè)置若干恒定時(shí)間改為電池體表溫度達(dá)到設(shè)定值。避免了恒定時(shí)間設(shè)置不準(zhǔn)確導(dǎo)致測(cè)試條件偏差的問題，過早或過遲的跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)梯度點(diǎn)溫度進(jìn)行試驗(yàn)。

3）對(duì)控制模塊的界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并植入可變量的運(yùn)行程式，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程自動(dòng)化和智能化，消除了人為目視顯示屏溫度變化導(dǎo)致的視覺疲勞和手動(dòng)操作產(chǎn)生的時(shí)間偏差。每次電池安全邊界溫度摸底測(cè)試時(shí)，調(diào)用這個(gè)程式即可，減少測(cè)試員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

結(jié)語

通過升級(jí)改造電池環(huán)境溫度安全邊界測(cè)試的試驗(yàn)箱控制模塊，可以精準(zhǔn)獲取電池環(huán)境溫度的安全邊界數(shù)據(jù)，避免測(cè)試條件偏差，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；也可以減少測(cè)試員的勞動(dòng)強(qiáng)度，是 “機(jī)器代替人”的又一次實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃輝，曹蕊蕊，張文浩.鋰電池事故誘發(fā)因素分析及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（32）：100-102，107.

[2] 劉仕強(qiáng)，左易鑫，韋振，等.三元鋰離子動(dòng)力電池過充電表征行為試驗(yàn)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2020，34（6）：18-24.

[3] 潘飛，蔡蕾.溫度-高度試驗(yàn)箱溫場(chǎng)狀態(tài)分析[J].環(huán)境技術(shù)，2011，33（2）：45-48.

[4] 陳孝如.淺談高低溫溫度試驗(yàn)箱電氣原理設(shè)計(jì)[J].電子世界，2019（17）：68-69.

[5] 于洋，張艷華.溫度傳感器的設(shè)計(jì)與測(cè)試[J].科技資訊，2023，21（1）：85-88.

[6] 王曉燕.基于RS-485通訊的多路溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].火力與指揮控制，2019（4）：153-163.