Датчики температури є основним вхідним сигналом для системи керування акумуляторами, але сама лише кількість датчиків не гарантує захисту. Блок акумуляторів може містити кілька термісторів і все одно не мати гарячого з'єднання, погано охолоджуваного внутрішнього елемента або датчика, який термічно з'єднався з корпусом, а не з елементом. Ефективне розміщення починається з карти теплового ризику та закінчується перевіркою в реальних електричних, механічних та екологічних умовах блоку.
Швидка відповідь: Розміщуйте датчики температури там, де достовірні несправності та нормальна робота створюють найвищу температуру або найшвидше її підвищення. Охоплюйте репрезентативні комірки, струмопровідні з'єднання, термічно несприятливі ділянки, умови на вході та виході теплоносія, а також температуру навколишнього середовища або корпусу, де це доречно. Визначте кінцеву кількість та пороги спрацьовування сигналізації за допомогою моделювання, теплового картування, аналізу допусків та тестування на несправності, а не за фіксованим правилом "комірка на датчик".
Ключові винесення
Перш ніж вибирати місця розташування датчиків, сплануйте генерацію та відведення тепла.
Контролюйте як температуру елементів, так і гарячі точки поза елементами, такі як з'єднання шин, контактори, запобіжники та роз'єми високого струму.
Оберіть типові гарячі та холодні місця замість рівномірного розташування датчиків.
Враховуйте час відгуку датчика, монтажний тиск, клей, ізоляцію, дефекти проводки та виробничі допуски.
Перевірте повний ланцюг датчиків, включаючи датчик, джгут проводів, аналоговий інтерфейс, програмне забезпечення BMS, пороги та реакцію на вимкнення.
Частина 1: Спочатку створіть карту термічного ризику
1.1 Звідки береться тепло
Елементи генерують тепло через омічні втрати, електрохімічну поляризацію та оборотні ентропійні ефекти. Домінантний внесок змінюється залежно від струму, стану заряду, температури, хімічного складу та віку елемента. Компоненти акумулятора створюють додаткове тепло: контактний опір у зварних або болтових з'єднаннях, опір провідників у шинах, комутаційні втрати в MOSFET та контакторах, а також втрати в запобіжниках, роз'ємах та кабелях.
Оскільки тепловиділення сильно залежить від струму, події високої потужності можуть виявити проблеми, які залишаються непомітними під час низькочастотних стендових випробувань. З'єднання з невеликим опором може залишатися холодним при 0.2°C та перегріватися під час імпульсного навантаження. Тому розташування датчика має відображати найгірший достовірний профіль навантаження, а не лише номінальну роботу.
1.2 Де накопичується тепло
Найгарячіша комірка не завжди є коміркою з найвищою щільністю струму на своєму виводі. У модулі з повітряним охолодженням внутрішні комірки або комірки, розташовані нижче за течією, можуть бути найгарячішими. У модулі з рідинним охолодженням найтепліша область може знаходитися поблизу виходу охолоджувальної рідини або в місці з поганим контактом холодних пластин. У герметичному корпусі структурні ребра, піна, герметизація та обмежені повітряні простори можуть створювати локальні теплові вузькі місця.
Використовуйте теплове моделювання та інструментальні прототипи, щоб визначити місця з найвищою абсолютною температурою, найбільшим градієнтом між клітинами та найшвидшою швидкістю підвищення. Ці три умови можуть виникати в різних точках і можуть вимагати різних датчиків або порогів.
Частина 2: Поширені сліпі зони теплового моніторингу
2.1 З'єднувальні елементи та компоненти високої напруги
Датчик на поверхні елемента може не виявити ослаблений вивід, тріснуте зварне зварювання, кородований роз'єм або пошкоджений контактор достатньо швидко. Ці несправності створюють локальне резистивне нагрівання, тоді як сусідні елементи залишаються в межах нормального температурного діапазону. Для акумуляторів з високим безперервним струмом, частими імпульсами, вібрацією або з'єднаннями, що обслуговуються в польових умовах, слід включати прямий або тісно пов'язаний моніторинг у найважливіших місцях з'єднання.
Можливі місця розташування включають основні позитивні та негативні клеми, переходи послідовних шин, запобіжники, контактори, роз'єми заряду та розряду, а також з'єднання, визначені за допомогою аналізу падіння напруги або опору. Дані про температуру також можна поєднувати з тенденціями падіння струму та напруги на роз'ємі для покращення розпізнавання несправностей.
2.2 Термічно невигідні елементи
Рівномірна розстановка датчиків може залишити найгірше місце без контролю. Найбільш термічно несприятлива комірка може знаходитися в центрі модуля, на кінці повітряного потоку, на виході охолоджувальної рідини, в кутку корпусу або поруч із ізоляційним конструкційним елементом. Датчик, розміщений на зручній зовнішній комірці, може значно занижувати температуру внутрішньої комірки.
Встановлення датчика на торцевій пластині, холодній пластині або каркасі модуля вимірює цю структуру, якщо не охарактеризовано тепловий шлях до цільової комірки. Контактний опір і теплова маса вносять затримку та затухання. Тому BMS може бачити безпечне значення, поки комірка швидко нагрівається.
2.3 Несправності датчиків та джгутів проводів
Система моніторингу також має сліпі зони, коли датчик відривається від поверхні, клей сповзає, провід ламається, роз'єм деформується або електричний шум спотворює сигнал. Розробляйте діагностику на наявність розриву ланцюга, короткого замикання, неправдоподібної температури, надмірної швидкості зміни та розбіжностей між сусідніми каналами. Фіксоване значення заміщення ніколи не повинно виглядати як дійсний показник без ознаки несправності.
Частина 3: Розміщення за форматом комірок та архітектурою охолодження
3.1 Циліндричні, призматичні та мішечкоподібні клітини
Функція комірки або упаковки | Корисні місця розташування датчиків | Головне питання перевірки |
|---|---|---|
Циліндрична група клітин | Типові внутрішні та граничні комірки; області потоку повітря або охолодження нижче за течією | Чи відстежує вибрана комірка найгарячішу комірку за умов навантаження та навколишнього середовища? |
Призматична клітина | Розташування поверхні, визначене за допомогою теплового картування; область клеми, коли нагрівання з'єднання є достовірним | Чи забезпечує температура корпусу достатнє попередження про внутрішнє нагрівання або нагрівання клем? |
Пакетна комірка | Гаряча точка на широкій поверхні, виявлена шляхом тестування; область вкладки; механічно обмежені області | Чи залишається датчик з'єднаним під час набухання, циклічного перемикання та змін стиснення? |
Шина або роз'єм | Поблизу з'єднання з найвищим опором без порушення ізоляційного зазору | Чи може датчик виявити пошкоджене з'єднання до того, як пошкодження пошириться? |
Модуль з рідинним охолодженням | Типові клітини поблизу входу та виходу, а також місця з поганим контактом | Чи може система виявити втрату потоку, засмічення або зміни на межі розділу холодної пластини? |
Немає універсального правила, що кожні три комірки потребують одного датчика. Мінімальна кількість каналів залежить від теплового зв'язку, геометрії комірки, конструкції охолодження, профілю струму, стратегії локалізації несправностей, необхідного діагностичного покриття та точності будь-якої моделі оцінки. Правило, отримане для одного циліндричної комірки, не повинно автоматично переноситися на призматичний або кишеньковий модуль.
3.2 Покриття на рівні пачки
На рівні блоку розподіліть канали між репрезентативними зонами комірок, струмопровідним обладнанням, межами системи охолодження та умовами навколишнього середовища. Блоки з паралельними модулями можуть потребувати порівнянного покриття в кожній гілці, щоб локальний збій охолодження або з'єднання не був прихований нормальним середнім значенням в іншому місці.
Команда Архітектура BMS та PCM повинен підтримувати необхідний діапазон вимірювання, точність каналу, фільтрацію, діагностику та час реакції. Якщо канали мультиплексовані, переконайтеся, що інтервал дискретизації достатньо швидкий для найшвидшої достовірної теплової події.
Частина 4: Вибір та встановлення датчика
4.1 NTC, RTD та термопари
Термістори з відхиленням від температур (NTC) поширені у виробничих акумуляторних батареях, оскільки вони компактні, чутливі та економічні. Терморезистори (RTD) забезпечують хорошу стабільність та лінійність, але зазвичай вимагають більшого врахування формування сигналу. Термопари охоплюють широкий діапазон і корисні під час розробницьких випробувань, хоча компенсація холодного спаю та обробка сигналів низького рівня роблять їх менш поширеними для рутинного моніторингу вбудованих елементів.
Виберіть технологію, виходячи з необхідного діапазону температур, точності, часу відгуку, довготривалого дрейфу, ізоляції, корпусу, довжини джгута та конструкції входу BMS. Заявлена точність датчика є лише однією частиною бюджету похибки; монтаж та теплова затримка можуть створювати більшу похибку, ніж сам сенсорний елемент.
4.2 Монтаж та термозчеплення
Датчик повинен підтримувати повторюваний контакт, не пошкоджуючи ізоляцію елемента та не створюючи провідного шляху. Визначте клей, стрічку, затискач, ізоляційний шар, контактний тиск, процес затвердіння та допустиму толерантність до розміщення. Перевірте адгезію після термоциклування, вологості, вібрації та зміни розмірів елемента.
Товстий шар клею або піни може уповільнити реакцію. Датчик, який торкається одночасно гарячої комірки та холодного елемента конструкції, може показувати змішану температуру. Перевірте час реакції в остаточному складанні, а не лише на відкритому повітрі. Для справних пакетів процедури заміни та маршрутизація датчиків мають бути чітко визначені.
4.3 Проводка та цілісність сигналу
Прокладайте проводку датчиків низького рівня подалі від провідників високого струму, комутаційних вузлів та ліній зв'язку з перешкодами. Використовуйте відповідну парну трасу, фільтрацію, екранування, зняття натягу та ізоляцію. Підтверджуйте показання під час максимального струму заряду та розряду, перемикання контакторів, роботи зарядного пристрою та випробувань на електромагнітну стійкість.
Для довгих джгутів проводів слід враховувати опір проводів та опір роз'єму в аналізі похибки вимірювання. Система управління будівництвом (BMS) повинна розрізняти фактичну теплову подію від несправності джгута проводів та переводити систему у визначений безпечний стан, коли інформація про температуру є ненадійною.
Частина 5: Перевірка логіки розміщення та захисту
5.1 Моделювання та інструментальне тестування прототипів
Використовуйте моделювання для визначення ймовірних градієнтів, а потім перевірте їх за допомогою прототипу з великою кількістю інструментів. Інструменти для розробки можуть включати більше термопар, ніж у виробничому проекті, тепловізійне зображення там, де є лінія видимості, вимірювання охолоджувальної рідини та вимірювання падіння напруги на критичних з'єднаннях.
Перевірте нормальну роботу та достовірні несправності на межах стану заряду, температури навколишнього середовища, струму, потоку повітря або охолоджувальної рідини, виробничого допуску та старіння. Включно з блокуванням потоку повітря, зниженням продуктивності насоса, поганим термоконтактом, резистивними з'єднаннями, несправними датчиками та від'єднаними джгутами проводів, якщо ці небезпеки є достовірними.
5.2 Пороги, швидкість наростання та реакція системи
Тільки абсолютні обмеження перегріву можуть реагувати занадто пізно. Враховуйте обмеження швидкості наростання температури, різницю температур між порівнянними елементами або модулями, а також невідповідність між датчиком компонента та датчиками сусідніх елементів. Порогові значення повинні враховувати невизначеність вимірювання та теплове запізнення, уникаючи при цьому випадкових спрацьовувань.
Перевірте повну реакцію: попередження, зниження номінального струму, відключення заряду або розряду, розмикання контактора, зв'язок тривоги, реєстрацію подій та поведінку відновлення. Стандарти функціональної безпеки та продукції слід вибирати для фактичного застосування. Для медичних, робототехнічних, охоронних, інфраструктурних та промислових виробів обґрунтування безпеки повинно пов'язувати кожну достовірну теплову несправність з перевіреною реакцією керування або захисту.
Висновок
Надійний моніторинг температури – це завдання проектування системи, а не підрахунок термісторів. Визначте, де генерується тепло, де воно накопичується та як розвиваються несправності; потім розмістіть датчики в типових та критично важливих для безпеки місцях. Перевірте механічне кріплення, сигнальний ланцюг, діагностику, пороги та реакцію BMS у повному акумуляторному блоці. Large Power може підтримати спеціальні рішення для літієвих батарей з урахуванням специфічних для застосування теплових датчиків, проектування BMS, інтеграції корпусу та вимог до валідації.
FAQ
Де слід розміщувати датчик температури на літієвій батареї?
Розмістіть його в місці на поверхні, зазначеному за допомогою теплового картування, щоб відобразити температуру елемента з найвищим рівнем ризику. Залежно від формату елемента та охолодження, це може бути поблизу клеми, на широкій грані, на внутрішній поверхні елемента або поблизу виходу охолоджувальної рідини. Не використовуйте одне місце для кожної конструкції.
Скільки датчиків температури потрібно для акумуляторного модуля?
Немає універсального співвідношення кількості комірок на датчик. Визначте кількість на основі теплових градієнтів, архітектури охолодження, формату комірок, профілю струму, покриття несправностей, можливостей каналу BMS та результатів перевірки.
Чи повинні шини та роз'єми мати спеціальні датчики?
Використовуйте спеціалізований або тісно пов'язаний моніторинг, коли нагрівання з'єднань є достовірною небезпекою, а датчики сусідніх елементів не можуть виявити його достатньо швидко. Особливої уваги заслуговують з'єднання з високим струмом, високою вібрацією або справні з'єднання.
Чи може датчик, встановлений на торцевій пластині, відображати температуру елемента?
Тільки якщо випробування показує, що зчитування пластини відстежує цільову комірку з прийнятною похибкою та часом відгуку в усьому робочому діапазоні. Термічний опір інтерфейсу може затримати та зменшити виміряне підвищення температури.
Як система BMS повинна виявити несправний датчик температури?
Контролюйте наявність розірваних та коротких замикань, неправдоподібних значень, нереалістичної швидкості зміни та невідповідностей з відповідними каналами. Визначте безпечну реакцію, коли дані про температуру відсутні або є ненадійними.
