高壓電池的熱特性分析需要使用大量傳感器對(duì)電池進(jìn)行精確的溫度測量。只有對(duì)電池電芯和整個(gè)系統(tǒng)的熱特性進(jìn)行準(zhǔn)確的測量與分析，才能進(jìn)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(shí)使用多達(dá)512個(gè)傳感器對(duì)電池電芯溫度進(jìn)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(xué)過程明顯減緩，從而降低了電池性能；過高的溫度也會(huì)產(chǎn)生類似的影響。在極端情況下，可能導(dǎo)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(zhuǎn)移和化學(xué)反應(yīng)。隨著時(shí)間的推移，在不同的負(fù)載條件下，溫度也會(huì)發(fā)生變化。

溫度的空間分布不均勻：即使在單個(gè)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(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。熱區(qū)會(huì)增加內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控。無論是圓柱形電池、方形電池還是軟包電池，都會(huì)受到這類風(fēng)險(xiǎn)的影響。

為了避免電池?zé)崽匦詫?duì)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(yùn)行。此外，電池內(nèi)部的溫度分布應(yīng)該均勻，并且要能夠抵御外部的影響。

圖1：對(duì)軟包電池和電池模組進(jìn)行準(zhǔn)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(huì)進(jìn)行仿真。然而，仿真往往無法精確描述電池內(nèi)部的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過程及其影響，因此需要進(jìn)行全面的溫度測量。

只有對(duì)單個(gè)電芯和整個(gè)高壓電池的熱性能進(jìn)行詳細(xì)測量分析，才能全面了解其熱特性，并對(duì)仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。這些研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步優(yōu)化電池和溫度管理系統(tǒng)。

對(duì)高壓電池的熱特性進(jìn)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(jí)的精確溫度曲線，需要數(shù)百個(gè)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(yīng)該靈活多樣，以便能夠準(zhǔn)確地檢測溫度曲線和熱點(diǎn)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(shè)備。為了獲得真實(shí)的溫度測量結(jié)果，應(yīng)盡量減小由于電池內(nèi)布置大型設(shè)備或電池外殼上有大量傳感器電纜開口而導(dǎo)致的電池結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shè)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(yīng)簡便快捷，否則會(huì)因安裝數(shù)百個(gè)測量點(diǎn)而耗費(fèi)過多時(shí)間。為了驗(yàn)證溫度模型，可以通過仿真來定義測量點(diǎn)，并在CAD軟件中規(guī)劃布局。

計(jì)算出測量點(diǎn)的精確位置和傳感器的可重復(fù)布置可以確保更好的測量結(jié)果。

在測量對(duì)象時(shí)，應(yīng)盡可能減少受測量技術(shù)影響，以避免測量結(jié)果的失真。此外，還應(yīng)避免對(duì)傳感器電纜造成干擾。

最后，還必須確保在高壓環(huán)境中進(jìn)行測量時(shí)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(dá)512個(gè)溫度測量點(diǎn)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(jìn)行點(diǎn)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(diǎn)的不同，HV DTemp IC傳感器可選擇不同的型號(hào)。

用于功率母線的測量時(shí)，作為單獨(dú)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(gè)IC溫度傳感器組合為一個(gè)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(xiàng)目的具體要求進(jìn)行選擇，并且具有可重復(fù)性。

HV DTemp IC傳感器通過HV DTemp-Mx控制器進(jìn)行連接。根據(jù)控制器類型，最多可將16個(gè)傳感器組件（相當(dāng)于64個(gè)溫度傳感器）連接到一個(gè)控制器。最多可輕松級(jí)聯(lián)8個(gè)控制器，不受類型限制，以支持最多512個(gè)溫度傳感器進(jìn)行同時(shí)測量?？刂破鲗?duì)傳感器進(jìn)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(xiàng)目的測量需求，所需的端口數(shù)量和隔離等級(jí)，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(gè)帶有PG螺紋的連接孔，因此對(duì)電池殼體結(jié)構(gòu)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(gè)測量點(diǎn)分配單獨(dú)的CAN-ID，以便進(jìn)行識(shí)別。收集的溫度數(shù)據(jù)通過CAN總線傳輸?shù)?a target="_blank">上位機(jī)。

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

優(yōu)點(diǎn)

Advantage

整個(gè)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(jí)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(diǎn)區(qū)域。傳感器作為柔性電路可以在電芯之間精確復(fù)用。

HV DTemp-Mx控制器設(shè)計(jì)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(gè)測量模塊，設(shè)計(jì)極其節(jié)省空間，測量電纜對(duì)電池結(jié)構(gòu)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(diǎn)的準(zhǔn)確識(shí)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(fēng)險(xiǎn)。

通過CAN總線，測量系統(tǒng)可以輕松與其他測量模塊級(jí)聯(lián)，以獲取更多的物理量或集成到現(xiàn)有的臺(tái)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(duì)高達(dá) 512 個(gè)溫度測量點(diǎn)進(jìn)行精確測量。利用靈活且可復(fù)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。