熱電偶內(nèi)置式針頭的研制與其溫度特性的研究

劉延林 繆文泉 印炯 周治業(yè)

［摘 要］ 在電池針刺試驗(yàn)時，電池內(nèi)部短路產(chǎn)生的高溫是導(dǎo)致電池爆炸起火的根本原因，因此研究電池內(nèi)部溫度的變化就顯得尤為重要。文章通過對熱電偶內(nèi)置式針頭的研制，從根本上解決以往電池內(nèi)部溫度不可測的難題。

［關(guān)鍵詞］ 動力電池；針刺試驗(yàn)；熱電偶；耐高溫針頭；溫度特性；一致性

［作者簡介］ 劉延林，國家機(jī)動車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（上海）新能源汽車檢測工程技術(shù)研究中心高級工程師，上海，201805

［中圖分類號］ U46 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2012）02-0021-0004

電動汽車自燃現(xiàn)象時有發(fā)生，原因很多，但其中最主要的原因是動力電池的安全性問題。電池制造過程中若有金屬粉末混入正極和負(fù)極之間的絕緣層中，在隨機(jī)的某一偶然時刻，電池內(nèi)部就有可能產(chǎn)生內(nèi)部短路；另一個重要原因是制造時電池內(nèi)部可能有缺欠，在反復(fù)充放電循環(huán)之后，制造缺欠擴(kuò)大而引起內(nèi)部短路，從而引起電池的冒煙、起火或爆炸現(xiàn)象發(fā)生。電池針刺試驗(yàn)其實(shí)質(zhì)是使電池內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)制短路，以此來評價(jià)動力電池安全性。試驗(yàn)時通過對電池電壓、電池的表面溫度和內(nèi)部溫度的監(jiān)測，來推測電池在針刺時的短路狀態(tài)，從而對電池構(gòu)成材料的熱穩(wěn)定性作出評價(jià)，為新產(chǎn)品開發(fā)提供依據(jù)。用通常的電壓表可測得電池電壓，遠(yuǎn)紅外線測溫儀可測得電池的表面溫度。本課題研制開發(fā)出的熱電偶內(nèi)置式針頭，除具有普通的耐高溫鋼針的作用外還可監(jiān)測電池內(nèi)部溫度。

一、熱電偶的測溫原理

熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)溫度。

熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成分的材質(zhì)導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）組成閉合回路，當(dāng)接合點(diǎn)兩端的溫度不同，存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成分的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端（也稱為測量端），溫度較低的一端為自由端（也稱為補(bǔ)償端），自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。

熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度， 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關(guān)；當(dāng)熱電偶的兩個熱電偶絲材料成分確定后，熱電偶熱電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這時熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。常用的熱電偶材料有：

本研究采用K型熱電偶。

熱電偶的應(yīng)用非常廣泛，如在冶金、化工生產(chǎn)中可用熱電偶測量高低溫，在科學(xué)研究、自動控制過程中可作為溫度傳感器。它是把非電學(xué)量（溫度）轉(zhuǎn)化成電學(xué)量（電動勢）來測量的一個實(shí)際例子。在不同溫差（△t=t-t ）下，測出與之對應(yīng)的熱電偶溫差電動勢?著，并繪制成?著-△t曲線（即標(biāo)定曲線），利用它可用?著值定出相應(yīng)的溫差（△t）值。如果將其固定，則?著只與t有關(guān)，測出與t對應(yīng)的熱電偶的溫差電動勢?著，再繪出?著-t曲線，根據(jù)它可用?著值定出相應(yīng)的t值。利用這個原理，可以把熱電偶改裝成“熱電偶溫度針頭”。

二、帶熱電偶測溫鋼針的初期研制

選購合適的傳感器和調(diào)理模塊直接接入原采集系統(tǒng)，通過對原軟件的修改達(dá)到增加溫度采集通道。

在保證原探針外徑不變的情況下，研究如何將傳感器內(nèi)置于探針之中，既能保證剛度（先選用直徑為8mm,長度為350mm）又能保證溫度傳遞的及時性。

解決以上兩點(diǎn)后，進(jìn)行實(shí)際針刺試驗(yàn)，逐步深化研究。

三、實(shí)際開發(fā)研制

（一）選熱電偶

通過網(wǎng)絡(luò)查詢到與日本合資的上海大華千野公司有熱電偶溫度傳感器，其熱端直徑可以做到1mm以內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)置。

（二）鋼針研制

考慮到硬度和剛度，探針采用Cr12MOV合金工具鋼，經(jīng)過熱處理后具有良好的硬度和耐磨性，加工精度保證在正負(fù)0.01mm,中間以電火花工藝打孔，孔徑為2.5mm，探針針頭端離孔前端為6mm，針對端與桿身以螺紋連接。

（三）無孔鋼針測溫

同步修改原有的觸屏和PLC程序，待機(jī)械部分完成后，聯(lián)合調(diào)試，先確認(rèn)信號是否已接入PLC的采集系統(tǒng)中，然后用冰水混合物（0℃）和沸水（100℃）兩種狀態(tài)為溫度采集通道定標(biāo)。在定標(biāo)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)新探針的響應(yīng)較慢，如從常溫到沸水中大約20秒左右才能起反應(yīng)，明顯不能反映探針?biāo)幍臏囟葘?shí)際，有著明顯的滯后性。

（四）無孔鋼針試驗(yàn)

進(jìn)行實(shí)際的單體電池針刺試驗(yàn)，針刺速度定為20mm/s，設(shè)定采集位移段后開始試驗(yàn)，由于單體相對較薄，不到一秒就刺穿了，但溫度沒有變化，電池開始冒酸霧時，溫度才開始上升，但此時由于PLC只能采256個點(diǎn)，此時采集已經(jīng)完成。通過此次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有兩個問題需要解決，其一就是探針的熱響應(yīng)的及時性；其二，就是采集的時間過短，不能采集到電池針刺后的溫度變化。

（五）研制有孔鋼針

為解決熱響應(yīng)及時性，只靠無孔鋼針的金屬傳導(dǎo)作用是不夠的，必須讓電池中的液體直接接觸到溫度傳感器的探頭。探針經(jīng)過熱處理表面很硬，只能是通過電火化在針尖附近打些小孔的方式?？椎闹睆娇刂圃?mm以內(nèi)，否則會削弱針的強(qiáng)度。改進(jìn)后在冷熱水中交替采集，通過不斷增加孔的個數(shù)，直到能即時響應(yīng)為止。

（六）新采集系統(tǒng)開發(fā)

原系統(tǒng)采集時間過短的問題的原因在于幾個方面：

一方面，PLC采集的數(shù)據(jù)在觸屏中是以行的形式存儲，為了保證其導(dǎo)出后能在EXCEL中(最大處理256列)處理，單行最大不能超過300列（PLC決定的）；另一方面，其采樣率最快為100ms，也就是對單體電池而言最大只能采集到10點(diǎn)左右。完全不能反映出電池在針刺作用下溫度瞬態(tài)變化?；谝陨显颍罱K決定放棄組態(tài)軟件，而開發(fā)新采集系統(tǒng)——瞬態(tài)采集系統(tǒng)。

（七）瞬態(tài)采集系統(tǒng)

1.系統(tǒng)構(gòu)成（圖3）：

2.軟件功能：新增了試驗(yàn)樣品電池及試驗(yàn)相關(guān)信息記錄功能（見圖6），IO同步觸發(fā)，測試通道定標(biāo)設(shè)置，最多四個通道的數(shù)據(jù)采集，特征值處理，信號儲存和回放。

該方案采用了NI的USB多功能數(shù)據(jù)采集卡，且使接線端子與信號調(diào)理模塊集成在一個接線盒中，外接LEMO標(biāo)準(zhǔn)插座和通訊口，利用Labview編寫專用軟件，實(shí)現(xiàn)了上述功能。

實(shí)際聯(lián)合測試結(jié)果表明，新采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度長時間采集的目的。

（八）兩系統(tǒng)采樣時間原點(diǎn)同步的實(shí)現(xiàn)

從軟件上設(shè)置了觸發(fā)功能，即原系統(tǒng)對采集起點(diǎn)的設(shè)置是根據(jù)從觸摸屏上輸入測試的位移范圍（比如，針刺到520mm時開始采集，560mm時結(jié)束采集）來確定的，新增加的溫度采集系統(tǒng)設(shè)置成當(dāng)液壓頭走到設(shè)定的采集起點(diǎn)時，PLC輸出一個開關(guān)量觸發(fā)處于“等待觸發(fā)”狀態(tài)的溫度采集系統(tǒng)，使之開始采集，以此實(shí)現(xiàn)了兩系統(tǒng)采樣時間起點(diǎn)的同步。

（九）電池基本信息及試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫

下圖為新增溫度采集系統(tǒng)界面圖。

四、針頭溫度特性

（一）熱標(biāo)定

表2為針頭熱標(biāo)定數(shù)據(jù)。

（二）熱慣性

圖7為兩根測溫鋼針的熱慣性曲線。

從圖中可看出兩根測溫鋼針具有良好的一致性，蘭色線（1號針頭）與綠色線（2號針頭）基本吻合。溫升速率基本與加熱爐（紅色點(diǎn)）同步，具有良好的溫度響應(yīng)性。

五、結(jié) 論

本課題完成了對現(xiàn)有設(shè)備的二次開發(fā)，通過配置新硬件及測溫軟件的開發(fā)，完善、強(qiáng)化了電池內(nèi)部溫度采集功能，與此同時開發(fā)出（下轉(zhuǎn)第20頁）