高压电池热特性分析

 

高压电池的热特性分析需要使用大量传感器对电池进行精确的温度测量。只有对电池电芯和整个系统的热特性进行准确的测量与分析，才能进一步优化其性能。采用HV DTemp测量系统，只需一根传感器电缆，便可同时使用多达512个传感器对电池电芯温度进行测量。

 

 

背景

Background

锂离子电池的性能受温度影响很大，其最佳工作温度范围为15°C至35°C。在较低温度下，电池中的化学过程明显减缓，从而降低了电池性能；过高的温度也会产生类似的影响。在极端情况下，可能导致自燃（即热失控）。电池内部发热是造成内部温度过高的重要原因，源自充电和放电过程中的电荷转移和化学反应。随着时间的推移，在不同的负载条件下，温度也会发生变化。

温度的空间分布不均匀：即使在单个电芯中，不同区域的温度也可能存在较大差异。局部高温区域（即热区）可能会产生危险。热区会增加内部短路的风险，进而导致热失控。无论是圆柱形电池、方形电池还是软包电池，都会受到这类风险的影响。

为了避免电池热特性对其性能的不良影响，高压电池配备了温度管理和冷却系统，以确保在最佳温度范围内运行。此外，电池内部的温度分布应该均匀，并且要能够抵御外部的影响。

 

图1：对软包电池和电池模组进行准确的温度测量是跟踪电池外壳温度分布的必要条件

 

要开发合适的温度管理系统，必须了解电池壳体内所有组件的热特性。在开发阶段通常会进行仿真。然而，仿真往往无法精确描述电池内部的复杂化学反应过程及其影响，因此需要进行全面的温度测量。
 

只有对单个电芯和整个高压电池的热性能进行详细测量分析，才能全面了解其热特性，并对仿真模型进行验证。这些研究结果将有助于进一步优化电池和温度管理系统。

对高压电池的热特性进行测量需要考虑传感器数量、空间需求以及如何避免干扰因素。为了确定电芯级的精确温度曲线，需要数百个传感器。传感器及其传感器电缆必须足够小巧，以便安装在电芯之间。传感器的布置应该灵活多样，以便能够准确地检测温度曲线和热点分布。此外，还必须能够在电池内外有限空间中安装所需的测量设备。为了获得真实的温度测量结果，应尽量减小由于电池内布置大型设备或电池外壳上有大量传感器电缆开口而导致的电池结构变化。

 

图2：高压电池中不同的HV DTemp传感器形状

 

 

 

挑战

Challenge

大量的温度传感器需要配套相应数量的传感器电缆和测量模块，然而在电池及其外壳中通常没有足够的空间来容纳这些测量设备。

为了将传感器安装在电池电芯之间，传感器和传感器电缆必须做得非常纤薄。传感器的安装应简便快捷，否则会因安装数百个测量点而耗费过多时间。为了验证温度模型，可以通过仿真来定义测量点，并在CAD软件中规划布局。

计算出测量点的精确位置和传感器的可重复布置可以确保更好的测量结果。
 

在测量对象时，应尽可能减少受测量技术影响，以避免测量结果的失真。此外，还应避免对传感器电缆造成干扰。

最后，还必须确保在高压环境中进行测量时用户和系统的安全。

CSM HV DTemp测量系统允许通过单根传感器电缆数字化、无干扰地获取高达512个温度测量点的数据，并将这些数据传输到HV DTemp-P中央控制单元。

传感器焊接在柔性印刷电路板上，在其底面进行点状温度测量。由于HV DTemp IC传感器的高度较低，因此传感器可以放置在电芯之间。根据测量点的不同，HV DTemp IC传感器可选择不同的型号。

用于功率母线的测量时，作为单独的传感器来使用，连接电缆可直接连接到HV DTemp控制器。

 

图3：HV DTemp IC单一传感器安装在模块外壳和母线上

 

最多可将四个IC温度传感器组合为一个传感器组件，用于测量电池外壳的温度，将它们通过连接电缆或小型分配板连接在一起。
 

在电池电芯之间，使用超薄柔性电路形态的温度传感器。这种排列方式可根据项目的具体要求进行选择，并且具有可重复性。

HV DTemp IC传感器通过HV DTemp-Mx控制器进行连接。根据控制器类型，最多可将16个传感器组件（相当于64个温度传感器）连接到一个控制器。最多可轻松级联8个控制器，不受类型限制，以支持最多512个温度传感器进行同时测量。控制器对传感器进行地址分配，提供电源并将温度值传输到中央单元。HV DTemp-Mx控制器提供电气隔离和非隔离两种类型。因此，根据项目的测量需求，所需的端口数量和隔离等级，可以选择合适的控制器类型。

所有控制器通过一根高压安全的传感器电缆连接到HV DTemp中央单元。这意味着只需在电池外壳上钻一个带有PG螺纹的连接孔，因此对电池壳体结构的改变很小。

HV DTemp-P中央单元收集来自控制器模块的数据，并通过电气隔离，以确保高压安全。此外，中央单元为每个测量点分配单独的CAN-ID，以便进行识别。收集的温度数据通过CAN总线传输到上位机。

 

图4：在电动汽车测量系统中对高压电池的热特性进行系统性表征

 

 

 

优点

Advantage

整个HV DTemp测量系统符合安装空间的要求。传感器可以被放置在电池电芯之间，从而允许在电芯级别精确获取温度曲线。传感器的布置非常灵活，可以根据要求精确测量热点区域。传感器作为柔性电路可以在电芯之间精确复用。

HV DTemp-Mx控制器设计得非常纤薄，可以安装在电池壳体内。由于电池外只需要一个测量模块，设计极其节省空间，测量电缆对电池结构的影响很小。

数字传感器数据传输确保了无干扰和测量点的准确识别。与模拟传感器可能存在的传感器电缆干扰和因此产生的测量值失真相比，数字传感器避免了这些风险。

通过CAN总线，测量系统可以轻松与其他测量模块级联，以获取更多的物理量或集成到现有的台架中。

 

精选产品

HV DTemp

CSM HV DTemp测量系统通过单根电缆连接到HV DTemp中央单元，以数字化方式对高达 512 个温度测量点进行精确测量。利用灵活且可复用的 HV DTemp IC 传感器布置，可以在电池电芯之间精确记录温度曲线。