热电偶内置式针头的研制与其温度特性的研究

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［摘 要］ 在电池针刺试验时，电池内部短路产生的高温是导致电池爆炸起火的根本原因，因此研究电池内部温度的变化就显得尤为重要。文章通过对热电偶内置式针头的研制，从根本上解决以往电池内部温度不可测的难题。 

［关键词］ 动力电池；针刺试验；热电偶；耐高温针头；温度特性；一致性  电动汽车自燃现象时有发生，原因很多，但其中最主要的原因是动力电池的安全性问题。电池制造过程中若有金属粉末混入正极和负极之间的绝缘层中，在随机的某一偶然时刻，电池内部就有可能产生内部短路；另一个重要原因是制造时电池内部可能有缺欠，在反复充放电循环之后，制造缺欠扩大而引起内部短路，从而引起电池的冒烟、起火或爆炸现象发生。电池针刺试验其实质是使电池内部产生强制短路，以此来评价动力电池安全性。试验时通过对电池电压、电池的表面温度和内部温度的监测，来推测电池在针刺时的短路状态，从而对电池构成材料的热稳定性作出评价，为新产品开发提供依据。用通常的电压表可测得电池电压，远红外线测温仪可测得电池的表面温度。本课题研制开发出的热电偶内置式针头，除具有普通的耐高温钢针的作用外还可监测电池内部温度。  一、热电偶的测温原理  热电偶是一种感温元件，是一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质温度。  热电偶测温的基本原理是两种不同成分的材质导体（称为热电偶丝材或热电极）组成闭合回路，当接合点两端的温度不同，存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成分的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端（也称为测量端），温度较低的一端为自由端（也称为补偿端），自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。  在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热电偶所产生的热电动势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。  热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度， 热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成分和两端的温差有关；当热电偶的两个热电偶丝材料成分确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这时热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。常用的热电偶材料有：  本研究采用k型热电偶。  热电偶的应用非常广泛，如在冶金、化工生产中可用热电偶测量高低温，在科学研究、自动控制过程中可作为温度传感器。它是把非电学量（温度）转化成电学量（电动势）来测量的一个实际例子。在不同温差（△t=t-t ）下，测出与之对应的热电偶温差电动势?着，并绘制成?着-△t曲线（即标定曲线），利用它可用?着值定出相应的温差（△t）值。如果将其固定，则?着只与t有关，测出与t对应的热电偶的温差电动势?着，再绘出?着-t曲线，根据它可用?着值定出相应的t值。利用这个原理，可以把热电偶改装成“热电偶温度针头”。  二、带热电偶测温钢针的初期研制  选购合适的传感器和调理模块直接接入原采集系统，通过对原软件的修改达到增加温度采集通道。  在保证原探针外径不变的情况下，研究如何将传感器内置于探针之中，既能保证刚度（先选用直径为8mm,长度为350mm）又能保证温度传递的及时性。  解决以上两点后，进行实际针刺试验，逐步深化研究。  三、实际开发研制  （一）选热电偶  通过网络查询到与日本合资的上海大华千野公司有热电偶温度传感器，其热端直径可以做到1mm以内，可实现内置。  （二）钢针研制  考虑到硬度和刚度，探针采用cr12mov合金工具钢，经过热处理后具有良好的硬度和耐磨性，加工精度保证在正负0.01mm,中间以电火花工艺打孔，孔径为2.5mm，探针针头端离孔前端为6mm，针对端与杆身以螺纹连接。  （三）无孔钢针测温  同步修改原有的触屏和plc程序，待机械部分完成后，联合调试，先确认信号是否已接入plc的采集系统中，然后用冰水混合物（0℃）和沸水（100℃）两种状态为温度采集通道定标。在定标过程中发现当新探针的响应较慢，如从常温到沸水中大约20秒左右才能起反应，明显不能反映探针所处的温度实际，有着明显的滞后性。  （四）无孔钢针试验  进行实际的单体电池针刺试验，针刺速度定为20mm/s，设定采集位移段后开始试验，由于单体相对较薄，不到一秒就刺穿了，但温度没有变化，电池开始冒酸雾时，温度才开始上升，但此时由于plc只能采256个点，此时采集已经完成。通过此次试验，发现有两个问题需要解决，其一就是探针的热响应的及时性；其二，就是采集的时间过短，不能采集到电池针刺后的温度变化。  （五）研制有孔钢针  为解决热响应及时性，只靠无孔钢针的金属传导作用是不够的，必须让电池中的液体直接接触到温度传感器的探头。探针经过热处理表面很硬，只能是通过电火化在针尖附近打些小孔的方式。孔的直径控制在1mm以内，否则会削弱针的强度。改进后在冷热水中交替采集，通过不断增加孔的个数，直到能即时响应为止。  （六）新采集系统开发  原系统采集时间过短的问题的原因在于几个方面：  一方面，plc采集的数据在触屏中是以行的形式存储，为了保证其导出后能在excel中(最大处理256列)处理，单行最大不能超过300列（plc决定的）；另一方面，其采样率最快为100ms，也就是对单体电池而言最大只能采集到10点左右。完全不能反映出电池在针刺作用下温度瞬态变化。基于以上原因，最终决定放弃组态软件，而开发新采集系统——瞬态采集系统。  （七）瞬态采集系统  1.  系统构成（图3）：  2.  软件功能：新增了试验样品电池及试验相关信息记录功能（见图6），io同步触发，测试通道定标设置，最多四个通道的数据采集，特征值处理，信号储存和回放。  该方案采用了ni的usb多功能数据采集卡，且使接线端子与信号调理模块集成在一个接线盒中，外接lemo标准插座和通讯口，利用labview编写专用软件，实现了上述功能。  实际联合测试结果表明，新采集系统实现了温度长时间采集的目的。  （八）两系统采样时间原点同步的实现  从软件上设置了触发功能，即原系统对采集起点的设置是根据从触摸屏上输入测试的位移范围（比如，针刺到520mm时开始采集，560mm时结束采集）来确定的，新增加的温度采集系统设置成当液压头走到设定的采集起点时，plc输出一个开关量触发处于“等待触发”状态的温度采集系统，使之开始采集，以此实现了两系统采样时间起点的同步。  （九）电池基本信息及试验数据库  下图为新增温度采集系统界面图。    四、针头温度特性  （一）热标定  表2为针头热标定数据。    （二）热惯性  图7为两根测温钢针的热惯性曲线。  从图中可看出两根测温钢针具有良好的一致性，兰色线（1号针头）与绿色线（2号针头）基本吻合。温升速率基本与加热炉（红色点）同步，具有良好的温度响应性。  五、结 论  本课题完成了对现有设备的二次开发，通过配置新硬件及测温软件的开发，完善、强化了电池内部温度采集功能，与此同时开发出