1、熱電偶內置式針頭的研制與其溫度特性的研究 摘要在電池針刺試驗時，電池內部短路產生的高溫是導致電池爆炸起火的根本原因，因此研究電池內部溫度的變化就顯得尤為重要。文章通過對熱電偶內置式針頭的研制，從根本上解決以往電池內部溫度不可測的難題。關鍵詞動力電池；針刺試驗；熱電偶；耐高溫針頭；溫度特性；一致性電動汽車自燃現象時有發生，原因很多，但其中最主要的原因是動力電池的平安性問題。電池制造過程中假設有金屬粉末混入正極和負極之間的絕緣層中，在隨機的某一偶然時刻，電池內部就有可能產生內部短路；另一個重要原因是制造時電池內部可能有缺欠，在反復充放電循環之后，制造缺欠擴大而引起內部短路，從而引起電池的冒煙、起火

2、或爆炸現象發生。電池針刺試驗其實質是使電池內部產生強制短路，以此來評價動力電池平安性。試驗時通過對電池電壓、電池的外表溫度和內部溫度的監測，來推測電池在針刺時的短路狀態，從而對電池構成材料的熱穩定性作出評價，為新產品開發提供依據。用通常的電壓表可測得電池電壓，遠紅外線測溫儀可測得電池的外表溫度。本課題研制開發出的熱電偶內置式針頭，除具有普通的耐高溫鋼針的作用外還可監測電池內部溫度。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，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表二次儀表轉換成被測介質溫度。熱電偶測溫的根本原理是兩種不同成分的材質導體稱為熱電偶絲材或熱電極組成閉合

3、回路，當接合點兩端的溫度不同，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。兩種不同成分的均質導體為熱電極，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償端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系，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的溫度相同，熱電偶所產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，即可知道被測介質的溫度。熱電偶實

4、際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，用所產生的熱電勢測量溫度，熱電偶所產生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關；當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；假設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。常用的熱電偶材料有：本研究采用k型熱電偶。熱電偶的應用非常廣泛，如在冶金、化工生產中可用熱電偶測量上下溫，在科學研究、自動控制過程中可作為溫度傳感器。它是把非電學量溫度轉化成電學量電動勢來測量的一個實際例子。在不同溫差t=t-t下，測出與之對應的熱電偶溫差電動

5、勢?著，并繪制成?著-t曲線即標定曲線，利用它可用?著值定出相應的溫差t值。如果將其固定，那么?著只與t有關，測出與t對應的熱電偶的溫差電動勢?著，再繪出?著-t曲線，根據它可用?著值定出相應的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適宜的傳感器和調理模塊直接接入原采集系統，通過對原軟件的修改到達增加溫度采集通道。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。解決以上兩點后，進行實際針刺試驗，逐步深化研究。三、實際開發研制一選熱電偶通

6、過網絡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，可實現內置。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，待機械局部完成后，聯合調試，先確認信號是否已接入plc的采集系統中，然后用冰水混合物0和沸水100兩種狀態為溫度采集通道定標。在定標過程中發現當新探針的響應較慢，如從常溫到沸水中大約20秒左右才能起反響，明顯不能反映探針所處的溫度

7、實際，有著明顯的滯后性。四無孔鋼針試驗進行實際的單體電池針刺試驗，針刺速度定為20mm/s，設定采集位移段后開始試驗，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，此時采集已經完成。通過此次試驗，發現有兩個問題需要解決，其一就是探針的熱響應的及時性；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及時性，只靠無孔鋼針的金屬傳導作用是不夠的，必須讓電池中的液體直接接觸到溫度傳感器的探頭。探針經過熱處理外表很硬，只能是通過電火化在針尖附近打些小孔的方式。孔的直徑控制在1mm以內，否那么會削

8、弱針的強度。改良后在冷熱水中交替采集，通過不斷增加孔的個數，直到能即時響應為止。六新采集系統開發原系統采集時間過短的問題的原因在于幾個方面：一方面，plc采集的數據在觸屏中是以行的形式存儲，為了保證其導出后能在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點左右。完全不能反映出電池在針刺作用下溫度瞬態變化。基于以上原因，最終決定放棄組態軟件，而開發新采集系統瞬態采集系統。七瞬態采集系統1.系統構成圖3：2.軟件功能：新增了試驗樣品電池及試驗相關信息記錄功能見圖6，io同步觸發，測試通道定標設

9、置，最多四個通道的數據采集，特征值處理，信號儲存和回放。該方案采用了ni的usb多功能數據采集卡，且使接線端子與信號調理模塊集成在一個接線盒中，外接lemo標準插座和通訊口，利用labview編寫專用軟件，實現了上述功能。實際聯合測試結果說明，新采集系統實現了溫度長時間采集的目的。八兩系統采樣時間原點同步的實現從軟件上設置了觸發功能，即原系統對采集起點的設置是根據從觸摸屏上輸入測試的位移范圍比方，針刺到520mm時開始采集，560mm時結束采集來確定的，新增加的溫度采集系統設置成當液壓頭走到設定的采集起點時，plc輸出一個開關量觸發處于"等待觸發"狀態的溫度采集系統，使之開始采集，以此實現了兩系統采樣時間起點的同步。九電池根本信息及試驗數據庫以下列圖為新增溫度采集系統界面圖。四、針頭溫度特性一熱標定表2為針頭熱標定數據。二熱慣