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电动汽车电池光纤温度传感器学术研究

电动汽车行业正处于转型阶段。随着公共和私营部门越来越重视电动汽车,eMobility行业中的每个参与者都在不懈地努力,以更高的效率,更大的容量和更小的尺寸来提高电动汽车的性能。所有这些研究和开发的唯一目标是以更低的成本制造与IC发动机同等甚至更好的电动汽车。

作为电动汽车最关键的组件,高压EV电池最关注的是容量提高,性能优化和成本/尺寸减小。电动汽车电池,电池,模块和电池组的整个价值链中的研究人员一直在致力于快速充电和容量增强项目。

先容:

电池热管理是用于快速充电和容量增强项目的EV电池设计和开发中最关键的方面之一。电池热管理中的关键步骤是:首先确定发热源,其次确定设计中的薄弱环节,然后通过设计变更或更好的冷却机制最终解决热问题。本文主要关注光纤传感器在圆柱形电池芯温度监测中的优势。

为什么要进行温度监控:

在快速充电(3C,4C和更高)和放电(6C,8C或更高)的循环下,圆柱形电池面临巨大的电化学和机械应力。这些连续应力的结果是,细胞内部发热,热量沿径向和轴向传递到外表面。了解不同工作条件下电池的应力处理能力变得至关重要。EV电池必须针对广泛的环境和汽车运行条件进行设计。在产品开发阶段准确识别热问题并有效缓解它们是避免产品召回巨额成本的关键。 ?

光纤温度传感器的优点:

工程师一直在使用非常小的热电偶来测量圆柱形电池芯的热轮廓。为了避免由于热电偶细胞化学损伤,传感器涂覆有一个复杂的和昂贵的化学隔离。隔离过程很复杂,仍然不是用于安全,准确地测量电池核心温度的完整解决方案。因此,由于光纤传感器的以下特性,光纤温度传感器是热电偶的最合适替代品:?

  1. 超小?尺寸(0.4毫米)以适合Cell Core。这将确保对圆柱形电池的机械结构的损坏最小。
  2. 安全:光纤传感器由二氧化硅,聚酰亚胺,砷化镓(GaAs)晶体和很小的环氧树脂制成。完整传感器的任何成分都不会对细胞化学物质造成任何风险。
  3. 准确且无噪音的?读数–传感器的精度为±0.2?C(相对),重复性为100%。而且此精度不受电池内部应变/压力的影响。
  4. 宽的测量范围:测量范围?为-269?C至+300?C。
  5. 更高的响应时间:?传感器能够以5Hz至30Hz的采样率进行测量。
  6. 传感器稳定性:?这些传感器在高电场,磁场和化学领域中非常稳定。
  7. 降低安装成本??–传感器不需要任何昂贵的隔离/涂层。传感器也可调节以适合电池芯内部的不同位置。

如何在圆柱形电池芯中安装光纤温度传感器?

光纤温度传感器可以在单元形成阶段或之后安装。与在制造的电池芯上安装传感器相比,在电池形成阶段安装传感器很简单。下面的图1显示了如何将光纤温度传感器安装到圆柱形电池芯中的详细视图。

  1. 裸光纤传感器b)带有一次性吸头的光纤传感器

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?数字。EV电池内部安装了1个光纤传感器

在细胞形成阶段:

这是一种简单的方法,在组装过程中,在成型阶段之前,可以将光纤温度传感器放置在圆柱型电池的核心。这将需要在电池的阴极盖上钻一个孔。形成过程后,必须用硅酮密封胶,环氧树脂或Kapton胶带密封阴极盖的开口。

进入制成的电池:

要在现成的电池上安装光纤温度传感器,需要使用电钻和手套箱。首先,将需要拆卸大约8到10个电池以找出电池类型的内部结构。确定电池的内部结构后,可以将新的电池放在手套箱上钻孔。手套箱用于防止电池内部暴露于氧气(O?2)和湿气(H?2?O)中。尖锐且高精度的钻头用于在电池芯上钻一个小孔。孔必须尽可能小,以免影响电池的电化学行为。钻孔时必须小心,以免发生短路并保护电极胶卷。

最简单的钻孔方法是,打开塑料保护罩上的阴极和钻孔,然后将光纤传感器插入芯内。开口必须用特殊的胶水和胶带密封,以使其密封而不损坏光纤温度传感器。

一次性盖(由聚酰亚胺材料制成)也可用于先插入孔中,然后再插入光纤温度传感器,。

然后可以将光纤温度传感器连接到监视器以进行温度测量和趋势显示。该监视器可以灵活地记录温度数据,显示时间戳趋势以及将数据导出到第三方系统。该监视器支撑行业标准协议,例如高速CANBUS,Modbus,DNP3.0,并带有用于主要开发环境(例如Matlab,LabView和python)的驱动程序。传感器监视器的安装。

结论:

光纤温度传感器是最适合在电池内部用于电池芯温度监控的传感器。光纤温度传感器的安装过程比传统传感器更容易,因为光纤温度传感器不需要任何隔离。凭借光纤温度传感器的更高的准确性,可重复性和响应能力,可以更好地了解内部的化学过程并确定温度升高的真正原因。从多个实验中发现,电池芯温度大多高于电池体温度,并且差异不是恒定的,而是随充电和放电速率而变化。在充电和放电结束时,核心温度最高。

核心电池的温度监控对于快速充电应用变得至关重要。温度监控的结果用于电池建模,电池管理系统以及电池,模块和整个电池组的热保护。准确的核心电池温度可确保正确设置热安全极限,以避免出现热失控问题。

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