锂空电池测量装置

[size=16px][color=#339999]摘要：电化学热电池（electrochemical thermcells）作为用于低品质热源的热电转换技术，是目前可穿戴电子产品的研究热点之一，使用中要求具有一定的温差环境。电化学热电池相应的性能测试就对温度和温差形成提出很高要求，特别是要求温度控制仪器具有高控制精度、可编程控制、周期交变控制、通讯和随机软件功能。本文介绍了新型超高精度具有多功能的PID控制仪，并详细描述了电化学热电池特性测试中的温度控制系统结构。[/color][/size][align=center][size=16px][img=电化学热电池性能测试中的TEC半导体制冷片温度控制解决方案,600,379]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171026207841_631_3221506_3.jpg!w690x436.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 温差发电在固体材料与半导体材料的发展上均比较成熟，而近年出现了一种新型的电化学热电池（electrochemical thermcells）拥有更高的塞贝克系数，同时成本较低、能够适应复杂热源表面，因而具有一定的应用前景，成为当前研究的热点方向之一。如图1所示，这种电化学热电池的基本原理是利用电化学体系中的赛贝克效应，将冷热电极之间的温差直接转化为电势差而产生发电效果，因此温差环境是使用和测试评价电化学电池的必要条件。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.电化学热电池原理图,450,396]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171027053355_4631_3221506_3.jpg!w690x608.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 电化学热电池基本原理[/b][/color][/size][/align][size=16px] 电化学热电池中的电解质、材料和电极受温度的影响，以及整个热电池的相关性能测试评价，对测试过程中的温差形成有十分复杂的要求，具体内容如下：[/size][size=16px] （1）热电池的两个冷热端电极要处于不同温度以形成温差，两个电极温度要具有一定的变化范围以便在不同电极温度和不同温差条件下测试评价热电池的各种性能。[/size][size=16px] （2）对于冷端温度，可采用TEC半导体制冷片进行调节和控制，但热端温度普遍较高，采用制冷片无法实现高温加热，需采用电阻等加热。[/size][size=16px] （3）在热电池性能测试过程中，需要在冷热电极处实现台阶式或周期交变式可编程温度变化。这样一方面是能够测试不同电极温度和不同温差下的热电池性能，得到热电池最佳工作状态时的温度和温差条件，另一方面是测试考核热电池的疲劳衰减特性。[/size][size=16px] （4）新型的电化学热电池往往很薄，如各种可穿戴电子产品用热电池。在实际应用中，这类薄片或薄膜状热电池上形成的温差很小，这就要求热电池性能测量装置需要具备在冷热电极之间提供小温差的能力。[/size][size=16px] 根据上述要求可以看出，一旦电化学热电池形状确定，热电池性能测试装置的结构也基本确定，而测试装置中温度控制的关键是确定合理的加热方式和温控仪表。[/size][size=16px] 对于加热形式，采用电阻加热和TEC半导体制冷片两种形式，可满足绝大多数电化学热电池在任意温度和温差范围内的测试需要，对于温度不高的测试，可仅使用TEC半导体制冷片进行温度控制。电阻加热用于热电极处的高温加热，温度范围为50~150℃以上。TEC半导体制冷片加热用于冷电极处的低温加热和冷却，温度范围为-10~60℃。[/size][size=16px] 对于温控仪表，满足上述温度控制要求的控温仪表需具备以下功能：[/size][size=16px] （1）可对电阻加热和TEC半导体制冷片分别进行控制。[/size][size=16px] （2）可编程控制功能，可控制温度按照编程设定的温度折线进行变化。[/size][size=16px] （3）交变温度控制功能，可控制温度按照设定周期和幅度进行交替变化。[/size][size=16px] （4）带PID自整定功能，避免繁琐的人工调整PID参数，并可存储和调用多组PID参数。[/size][size=16px] （5）测量和控温精度高，特别是要满足薄膜热电池的温差控制，控温精度要达到0.01℃。[/size][size=16px] （6）带通讯功能可与上位机连接，由上位机进行设置、编程、控制运行、显示和存储。[/size][size=16px] （7）带计算机软件，无需编程，可通过计算机进行设置、编程、控制运行、显示和存储。[/size][size=16px] 从上述功能要求中可以看出，电化学热电池性能测试中对温度和温差形成的要求很高，特别是要求温控仪表具有高控制精度、可编程控制、周期交变控制、通讯和随机软件功能，而这些很多都是目前电化学热电池性能测试用控温仪无法具备的功能。为此，本文介绍了新型超高精度具有多功能的PID控制仪，并详细描述了电化学热电池特性测试中的温度控制系统结构。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 解决方案设计的温控系统典型结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.电化学热电池性能测试温控系统结构示意图,690,343]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/04/202304171027488618_9875_3221506_3.jpg!w690x343.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 电化学热电池性能测试温控系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 图2所示的解决方案示意图包含了电化学热电池性能测量装置和温度控制系统两部分。其中的电化学热电池测量装置示出的是对块状、板状或薄膜状热电池的测试结构，电极分别贴服在热电池的顶部和底部，顶部的阴极电极处通过TEC半导体制冷片进行低温控制形成冷电极，底部的阳极电极处通过电阻加热方式（电热膜和电热块）进行高温控制形成热电极，由此在热电池上下两端形成所需温差。需要说明的是，解决方案在冷电极处选择TEC半导体制冷片的主要目的是为了实现高精度的温度控制，这在测试评价薄膜式可穿戴用热电池中实现高精度小温差时非常重要。在热电极出选择电阻加热方式主要是为了满足更高温度的大温差测试需要。[/size][size=16px] 由于半导体制冷片和电阻加热是两种完全不同的发热制冷原理，它们的温度控制方式也完全不同，因此图2所示解决方案设计了两个独立的温控回路，两个温控回路采用的是相同的超高精度PID控制器VPC2021-1。选择使用VPC202-1这种PID控制器，是出于多功能和超高精度的考虑，此控制器可以满足前面所述的对温度控制器的所有要求。[/size][size=16px] 在TEC半导体制冷片温控回路中，使用了VPC2021双向控制功能，通过采集温度传感器信号与设定温度进行比较后，驱动双向电源对TEC制冷片进行加热或制冷控制，由此实现高精度的温度控制。[/size][size=16px] 在电阻加热温控回路中，使用了VPC2021基本的温度控制功能，通过采集温度传感器信号与设定温度进行比较后，驱动固态继电器进行加热，由此实现高精度的温度控制。这里需要注意的是，如果要在电阻加热中实现较高精度的温度控制，除了采用高精度的温度传感器（如铂电阻或热敏电阻）之外，还需要与相应的冷源配合以减小热惯性，如在电阻发热体下面配备冷却装置以便能够形成快速散热。如果是测量薄膜热电池，则无需这些考虑，只需在电阻发热体下面增加绝热层即可，因为热电池和电阻加热膜厚度很小，热惯性自然也小，冷电极的低温可以对热电极进行快速散热，有利于热电极处的温度高精度控制。[/size][size=16px] 为了实现热电池的温度交变试验，解决方案采用了VPC2021控制器的高级功能：远程设定点功能，即在辅助输入通道上接入外部信号发生器以生成各种周期性波形信号作为交变设定值，由此可控制热电极温度按照此设定波形进行周期性变化，从而形成交变温差。如图2所示，此远程设定点功能的选择可以通过一个外置开关进行选择，实现正常控温和交变控温之间的切换。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 本文提出的解决方案，可以满足绝大多数电化学热电池性能测试中的温差环境控制需要，为测试评价热电池性能和优化使用条件提供了便利的试验和考核手段。[/size][size=16px] 更重要的是高精度PID控制器配备了相应的计算机软件，采用了具有标准MODBUS通讯协议的RS485接口，与计算机一起可以组成独立的测控系统，通过计算机可方便的对PID控制器进行远程操控，设置控制器的各种参数，采集、存储和曲线形式显示PID控制器的过程参数，无需再进行任何编程即可进行测试试验，非常适应于实验室研究试验。[/size][size=16px] 此解决方案的另外一个特点是具有很强的灵活性和拓展性，可通过外置不同传感器和信号发生器实现多种物理量和波形的准确控制，更可连接上位机直接与中央控制器进行集成，与整个设备形成很好的配套。[/size][align=center][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

[size=16px][color=#990000][b]摘要：针对目前新能源电池热失控和特性研究以及生产中缺乏变环境压力准确模拟装置、错误控制方法造成环境压力控制极不稳定以及氢燃料电池中氢气所带来的易燃易爆问题，本文提出了相应的解决方案。方案的关键一是采用了低漏率电控针阀作为下游控制调节阀实现压力可编程精密控制，二是采用高压气体型真空源避免机械式真空泵的电火花造成引燃，三是在压力控制的同时也对电池加热温度进行自动控制。整个装置控制精度和自动化程度较高。[/b][/color][/size][align=center][size=16px][color=#990000][b]==================[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 随着现代新能源行业的飞速发展，各种新能源电池在经济社会中发挥着越来越重要的作用，由此对低压环境下新能源电池的使用、储存和运输也提出更高技术要求。例如高原地区和飞机运输中新能源电池的性能变化特征以及热失控传播特性，都是电池发展极其重要的一个环节。目前新能源电池在低压环境下的热失控特性和性能变化特性研究主要存在以下几方面的问题：[/size][size=16px] （1）目前的新能源电池热失控的测试设备主要集中在研究常压下的热失控行为，环境压力对电池热失控特征的研究较为缺失，对压力变化影响热失控行为的研究仍需进行更深入研究。[/size][size=16px] （2）研究变环境压力下电池燃烧爆炸行为的特性与特征，对于新能源电池的前期研发、中期使用以及后期预防热失控都有着尤为重要的参考意义。但目前缺乏变环境压力的准确模拟装置，控制方法存在严重问题而造成环境压力控制极不稳定，难以准确观察压力室内电池特性的变化，实验的可信度较差。[/size][size=16px] （3）另外，氢燃料电池作为一种新能源电池同样存在上述问题，同样需要在不同海拔工况下验证电池的运行性能和可靠谱。但由于氢燃料电池的特殊性，特别是由于氢气属于易燃易爆气体，在环境压力模拟设备运行时流道内的旋转机械有可能在高速运转情况下产生火花，继而引燃氢气形成爆炸，这对于环境模拟实验设备而言是绝对不允许的。同时，氢气与空气在燃料电池内反应生成水，故而在排气中含有液滴，这部分液滴在进入设备时可能对旋转部件造成损害，影响设备可靠性。因此，对于氢燃料电池的环境压力模拟装置，需要避免这些问题的出现。[/size][size=16px] 针对上述新能源电池以及氢燃料电池中环境压力准确控制方面存在的问题和需求，本文提出了相应的解决方案，解决方案主要包括以下两方面的内容：[/size][size=16px] （1）针对现有的锂电池环境压力模拟装置进行技术改造，采用下游控制模式实现模拟箱内环境压力的可编程准确控制，以满足绝大多数新能源电池的环境压力模拟需要。[/size][size=16px] （2）针对氢燃料电池的环境压力模拟，提出更安全的环境压力准确控制解决方案。[/size][size=18px][color=#990000][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 锂离子电池在高温环境下容易发生热失控，具有一定危险性，会发生着火甚至爆炸。为了给电池的测试试验同时提供高温和环境压力的模拟条件，解决方案是将电池放置在密闭的测试环境箱内，并对环境箱内部进行气压控制，使电池处于所需环境压力。然后通过对锂离子电池外部加热的方式给予电池达到热滥用的条件，再通过热电偶、数字天平等装置研究温度与质量等参数的变化。热电偶测量热失控过程中的温度变化，数字天平测量热失控过程中电池质量参数的变化，整个测试装置的控制系统如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][img=电池环境压力和高温温度模拟控制系统结构示意图,690,394]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/10/202310161757014248_9888_3221506_3.jpg!w690x394.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]图1 电池环境压力和高温温度模拟控制系统结构示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] 如图1所示，整个控制系统主要由环境压力控制回路、电池加热温度控制回路、质量测量装置和数据采集装置构成，它们的各自功能和技术内容如下：[/size][size=16px] （1）环境压力控制回路：其功能是对测试环境箱进行可编程气体压力控制，可对一系列不同的设定压力进行自动控制。控制回路由数控针阀、真空计、真空泵、真空压力控制器和真空管路组成，其中一个数控针阀控制进气流量、另一个数控针阀控制排气流量，真空计测量环境箱内的真空度并传输给控制器，控制器将接收到的真空度信号与设定值比较后驱动数控针阀的开度变化，并快速使得环境箱内的真空压力达到设定值。需要说明的是，这里的控制采用了固定进气针阀开度而改变排气针阀开度的下游控制模式，这样可以实现更高精度和稳定性的环境压力控制。[/size][size=16px] （2）电池加热温度控制回路：其功能是对电池进行加热和温度控制，以模拟电池热失效过程中的温度变化。控制回路由加热器、电池组件、固定夹板、热电偶温度传感器和双通道控制器组成，其中热电偶采集电池温度并传输给控制器，控制器将接收到的温度信号与设定值比较后驱动加热器通电加热，并使电池温度快速达到设定值。[/size][size=16px] （3）质量测量装置：其功能是测量电池本体在热失控过程中的质量损失。质量测量装置主要是悬挂式数字天平，放置在环境箱外部的数字天平通过悬丝测量电池质量。[/size][size=16px] （4）数据采集装置：其功能是同时采集电池温度、环境压力和质量测量数据，并以曲线形式进行显示和存储。数据采集装置主要由多通道数据采集器和计算机组成，多通道数据采集器连接相应的温度压力传感器和数字天平，计算机与采集器进行通讯并用软件显示和存储采集结果。[/size][size=16px] 需要说明的是，在解决方案中，计算机或上位机也可以与真空压力控制器和温度控制器进行通讯，并通过各自的软件对控制器进行参数设置、运行控制和控制过程参数变化曲线的显示。[/size][size=16px] 图1所示的电池环境压力模拟控制系统并不适合氢燃料电池的性能测试，这主要是机械式旋转型的真空泵有可能在高速运转情况下产生火花而引燃氢气形成爆炸，同时氢燃料电池测试过程中会在真空管路内形成水滴而造成阀门和真空泵旋转部件的损伤。为了解决这两个问题，本文所提出的解决方案采用了以下两项技术：[/size][size=16px] （1）将真空泵更换为真空发生器，即通过高压气体来形成真空，这样可以避免机械式旋转部件所带来的火花引燃危害。[/size][size=16px] （2）环境压力的调节还是采用前面所述的电动针阀，因为这种NCNV系列具有非常好的真空密封性能，电机转动部分与所通气体完全隔离，不会带来引燃隐患。[/size][size=18px][color=#990000][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，解决方案通过改进后的环境压力下游控制技术、高压气体真空发生技术和温度自动控制技术，可以很好的实现各种新能源电池在可变环境压力和高温温度下的热失控特性和运行特性变化测试和试验考核，解决方案具有以下几方面的突出特点：[/size][size=16px] （1）可实现环境压力和温度的高精度控制，更有利于电池特性的精密研究和测试考核。[/size][size=16px] （2）环境压力和温度控制可按照不同设定值进行编程控制，可自动实现电池特性测试的全过程。[/size][size=16px] （3）通过使用控制器和数据采集器自带的计算机软件，可快速搭建起电池特性测试装置，无需再专门编写计算机程序，大幅减小了装置组建的工作量。[/size][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#990000][b]~~~~~~~~~~~~~~~[/b][/color][/size][/align]

看到ghcily先生“电动自行车”一贴，想到目前储能技术最前沿的一个方案——“飞轮电池”。百度了一下： 飞轮储能电池的概念起源于上世纪７０年代早期，最初只是想将其应用在电动汽车上，但限于当时的技术水平，并没有得到发展。直到上世纪９０年代由于电路拓扑思想的发展，碳纤维材料的广泛应用，以及全世界范围对污染的重视，这种新型电池又得到了高速发展，并且伴随着磁轴承技术的发展，这种电池显示出更加广阔的应用前景，现正迅速地从实验室走向社会。现在欧美国家已出现实用化产品，而我国在这方面的研究才刚刚起步。 飞轮电池中有一个电机，充电时该电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电池“充电”，增加了飞轮的转速从而增大其动能；放电时，电机则以发电机状态 运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电 能的转换。当飞轮电池发出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的，转速极高（高达200000r/min， 使用的轴承为非接触式磁轴承。据称，飞轮电池比能呈可达150W ·h/kg，比功率达5000-10000W/kg，使用寿命长达25年，可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池 成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车，一次充电可行驶 600km，由到96km/h加速时间为6.5秒。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/02/201102081418_276930_1633752_3.jpg图片来源：http://members.internettrash.com/flyrpm/compare.htm　　飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要表现在如下几个方面： (1)能量密度高：储能密度可达100～200 wh／kg，功率密度可达5 000～lO 000 w／kg。 　　(2)能量转换效率高：工作效率高达百分之90。 　　(3)体积小、重量轻：飞轮直径约二十多厘米，总重在十几千克左右。 　　(4)工作温度范围宽：对环境温度没有严格要求。 　　(5)使用寿命长：不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿命20年以上。 　　(6)低损耗、低维护：磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统维护周期长。还有它的充电速度可以很快，几分钟到十几分钟即可。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2011/02/201102081413_276929_1633752_3.jpg　　飞轮电池的应用场合及现状 　　由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势。但在下列一些需大型储能装置的场合，使用化学电池的价格也非常昂贵，飞轮电池已得到逐步应用。 1、太空　　包括人造卫星、飞船、空间站，飞轮电池一次充电可以提供同重量化学电池两倍的功率，同负载的使用时间为化学电池的3～10倍。同时，因为它的转速是可测可控的，故可以随时查看电能的多少。美国太空总署已在空间站安装了48个飞轮电池，联合在一起可提供超过150KW的电能。据估计相比化学电池，可节约200万美元左右。 2、交通运输　　包括火车和汽车，这种车辆采用内燃机和电机混合推动，飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电，飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速，可减少燃料消耗，空气和噪声污染，发动机的维护，延长发动机的寿命。美国TEXAS大学已研制出一汽车用飞轮电池，电池在车辆需要时，可提供150KW的能量，能加速满载车辆到100Km/h。在火车方面，德国西门子公司已研制出长1.5m，宽0.75m的飞轮电池，可提供3MW的功率，同时，可储存30%的刹车能。 3、不间断电源　　飞轮电池可提供高可靠的稳定电源，可提供几秒到几分钟的电能，这段时间足已保证工厂进行电源切换。德国GmbH 公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，在5s内可提供或吸收5MW的电能。 4、军用战斗车辆　　美国国防部预测未来的战斗车辆在通信、武器和防护系统等方面都广泛需要电能，飞轮电池由于其快速的充放电，独立而稳定的能量输出，重量轻，能使车辆工作处于最优状态，减少车辆的噪声（战斗中非常重要），提高车辆的加速性能等优点，已成为美国军方首要考虑的储能装置。　　作为一种新兴的储能方式，飞轮电池所拥有传统化学电池无法比拟的优点已被人们广泛认同，它非常符合未来储能技术的发展方向。目前，飞轮电池除了上面介绍的应用领域以外，也正在向小型化、低廉化的方向发展。现在，最可能出现的是手机电池。可以预见，伴随着技术和材料学的进步，飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。———————————————————————————————————————————有报道说美国已在太空站上使用这种电池了。国内，北京有家公司已经在试做了，据说广州亚运会上有台备用的发电车就是用的这个。———————————————————————————————————————————下面25楼peterh先生补充了很新的资料，十分感谢！http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20110208/3116305/index_3.shtml