基于平板电池高温测试夹具的动态温控技术研究

      本文聚焦于平板电池高温测试夹具中的动态温控技术。通过对当前电池测试需求的分析，阐述了动态温控技术在平板电池测试中的重要性。详细介绍了动态温控技术的原理、实现方式以及在高温测试夹具中的应用。研究表明，该技术能够有效提升平板电池高温测试的准确性和可靠性，为电池性能优化和安全评估提供了有力支持。同时，对未来动态温控技术在电池测试领域的发展方向进行了展望。

一、引言

      随着电子设备的广泛应用和电动汽车产业的快速发展，对电池性能的要求日益提高。平板电池因其结构和性能优势，在众多领域得到了广泛应用。然而，电池在高温环境下的性能变化直接影响其安全性和使用寿命。因此，准确测试平板电池在高温环境下的性能至关重要。高温测试夹具作为电池测试的关键设备，其温控技术的精度和稳定性对测试结果有着决定性影响。传统的静态温控技术已难以满足日益复杂的测试需求，动态温控技术应运而生。动态温控技术能够根据测试过程中电池的实时状态和环境变化，精确调节测试夹具的温度，从而更真实地模拟电池在实际使用中的高温工况，为电池性能研究提供更可靠的数据支持。

二、平板电池高温测试需求分析

（1）电池高温性能的重要性

      在高温环境下，电池内部的化学反应速率加快，可能导致电池容量衰减、内阻增大、循环寿命缩短等问题。例如，在电动汽车行驶过程中，电池会因自身发热和环境温度升高而处于高温状态，如果电池在高温下性能不稳定，将严重影响电动汽车的续航里程和安全性。对于一些在高温环境下工作的电子设备，如户外监控设备、工业控制设备等，电池的高温性能直接关系到设备的正常运行。因此，研究平板电池在高温下的性能变化规律，对于优化电池设计、提高电池性能和安全性具有重要意义。

（2）传统测试方法的局限性

      传统的平板电池高温测试方法通常采用静态温控方式，即将电池放置在恒温环境中进行测试。这种方法无法模拟电池在实际使用中温度的动态变化情况，导致测试结果与实际应用存在较大偏差。例如，在实际使用中，电池的温度会随着充放电过程、环境温度变化以及设备负载的不同而发生动态变化。而静态温控测试方法无法反映这些动态因素对电池性能的影响，使得测试结果不能准确评估电池在复杂工况下的性能表现。此外，传统测试方法的温度控制精度有限，难以满足对电池性能高精度测试的要求。在高温测试中，微小的温度波动都可能对电池的化学反应过程产生显著影响，从而导致测试结果的不准确。

（3）动态温控技术的需求背景

      为了更准确地模拟平板电池在实际使用中的高温工况，提高测试结果的可靠性和有效性，迫切需要引入动态温控技术。动态温控技术能够根据电池的实时状态和环境变化，快速、精确地调节测试夹具的温度，实现对电池温度的动态控制。例如，在电池充放电过程中，动态温控系统可以根据电池的发热情况实时调整温度，模拟电池在不同充放电倍率下的温度变化。同时，动态温控技术还可以结合实际应用场景中的温度变化曲线，对电池进行更贴近实际的高温测试。这种动态温控方式能够更全面、准确地反映电池在复杂高温环境下的性能变化，为电池的研发、优化和安全评估提供更可靠的数据支持。

三、动态温控技术原理

（1）温度传感器的工作机制

      温度传感器是动态温控技术的关键组成部分，其作用是实时监测平板电池和测试夹具的温度。常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻和红外温度传感器等。热电偶是基于热电效应工作的，当两种不同材料的导体组成闭合回路时，若两个接点处的温度不同，回路中就会产生热电势，通过测量热电势的大小即可得到温度值。热敏电阻则是利用材料的电阻值随温度变化的特性来测量温度，其电阻值与温度之间存在特定的函数关系。红外温度传感器通过检测物体辐射的红外线能量来测量温度，无需接触被测物体，能够快速、准确地获取物体表面的温度。在平板电池高温测试夹具中，温度传感器被精确安装在电池表面和夹具关键部位，以确保能够实时、准确地感知温度变化，并将温度信号转化为电信号传输给温度控制系统。

（2）温度控制系统的算法与模型

      温度控制系统采用先进的控制算法和模型来实现对温度的精确调节。常见的控制算法有比例 - 积分 - 微分（PID）控制算法、模糊控制算法和模型预测控制算法等。PID 控制算法根据设定温度与实际测量温度的偏差，通过比例、积分和微分三个环节的运算来调整控制量，使温度快速、稳定地接近设定值。模糊控制算法则是基于模糊逻辑，将温度偏差和偏差变化率等语言变量转化为模糊集合，通过模糊推理和模糊决策来确定控制量，该算法能够处理复杂的非线性系统，对模型精度要求较低。模型预测控制算法通过建立系统的预测模型，根据未来一段时间内的预测误差来优化控制量，具有良好的动态性能和抗干扰能力。在平板电池高温测试夹具的温度控制系统中，通常会根据实际需求选择合适的控制算法或结合多种算法的优势，以实现对温度的高精度、快速响应控制。同时，系统还会建立电池和夹具的热模型，考虑电池的发热特性、夹具的热传导和热辐射等因素，通过对模型的仿真和优化来提高温度控制的准确性和稳定性。

（3）加热与制冷模块的协同工作

      加热与制冷模块是实现动态温控的执行机构，它们协同工作以调节测试夹具的温度。加热模块通常采用电阻加热丝、陶瓷加热片或红外加热装置等，通过电能转化为热能来升高温度。电阻加热丝成本较低，应用广泛，但加热速度相对较慢；陶瓷加热片具有加热速度快、温度均匀性好等优点；红外加热装置则能够实现非接触式加热，对电池的影响较小。制冷模块一般采用压缩式制冷、半导体制冷或水冷制冷等方式。压缩式制冷效率高，适用于大规模的温度控制；半导体制冷体积小、响应速度快，能够实现精确的温度调节；水冷制冷则通过循环水带走热量，具有良好的散热效果。在动态温控过程中，温度控制系统根据温度传感器反馈的信号，控制加热与制冷模块的工作状态。当温度低于设定值时，加热模块启动，增加热量输入；当温度高于设定值时，制冷模块启动，降低温度。通过精确协调加热与制冷模块的工作，实现对测试夹具温度的快速、精确调节，满足平板电池高温测试的动态温控需求。

四、动态温控技术在高温测试夹具中的实现

1.硬件设计与集成

（1）温度传感器的选型与布局

      在平板电池高温测试夹具的硬件设计中，温度传感器的选型和布局至关重要。根据测试需求和精度要求，选择合适类型的温度传感器。例如，对于对温度精度要求较高的测试，可选用高精度的热电偶或热敏电阻。在布局方面，将温度传感器均匀分布在平板电池的表面，特别是在电池的正负极、电极边缘和中心部位等关键位置，以全面、准确地监测电池表面的温度分布。同时，在测试夹具的内部和外部关键部位也安装温度传感器，用于监测夹具自身的温度变化以及环境温度对夹具的影响。通过合理的选型和布局，确保温度传感器能够实时、准确地获取电池和夹具的温度信息，为温度控制系统提供可靠的数据支持。

（2）加热与制冷装置的安装与连接

      加热与制冷装置的安装和连接直接影响其工作效率和温度控制效果。对于加热装置，如电阻加热丝，需要将其均匀缠绕在测试夹具的加热区域，并确保与夹具紧密接触，以提高热传导效率。陶瓷加热片和红外加热装置则根据其结构特点，选择合适的安装位置，保证加热的均匀性和对电池的有效加热。制冷装置的安装需要考虑散热和制冷效果，例如压缩式制冷装置的冷凝器需要安装在通风良好的位置，以确保散热顺畅。半导体制冷片和水冷制冷装置的连接要保证冷却液的循环畅通，避免出现泄漏和堵塞等问题。在安装过程中，要严格按照设备的安装说明书进行操作，并对加热与制冷装置进行电气连接和控制线路连接，确保其能够与温度控制系统协同工作，实现对温度的精确调节。

（3）数据采集与传输系统的搭建

      为了实现对温度数据的实时采集和传输，需要搭建数据采集与传输系统。该系统主要包括数据采集卡、信号调理模块和数据传输线路等。数据采集卡负责将温度传感器输出的电信号转换为数字信号，并进行数据采集和存储。信号调理模块对温度传感器输出的信号进行放大、滤波和隔离等处理，以提高信号的质量和稳定性。数据传输线路则将采集到的温度数据传输给温度控制系统和上位机进行分析和处理。在选择数据采集卡和信号调理模块时，要根据温度传感器的类型、数量和数据采集的精度要求进行合理选型。同时，要确保数据传输线路的可靠性和稳定性，采用屏蔽电缆等措施减少信号干扰。通过搭建高效的数据采集与传输系统，实现对温度数据的快速、准确采集和传输，为动态温控技术的实现提供数据保障。

2.软件编程与控制策略

（1）温度控制算法的编程实现

      根据选定的温度控制算法，如 PID 控制算法、模糊控制算法或模型预测控制算法，进行软件编程实现。在编程过程中，需要将算法的数学模型转化为计算机可执行的代码。以 PID 控制算法为例，首先定义温度偏差、比例系数、积分系数和微分系数等变量，然后根据 PID 控制算法的公式编写计算控制量的代码。在实际应用中，还需要考虑算法的实时性和稳定性，对代码进行优化和调试。对于模糊控制算法，需要定义模糊语言变量、模糊集合和模糊规则，并通过编程实现模糊推理和模糊决策的过程。模型预测控制算法的编程实现则需要建立系统的预测模型，并根据预测误差优化控制量的计算。通过精确的编程实现，使温度控制算法能够准确地调节加热与制冷模块的工作，实现对温度的高精度控制。

（2）测试流程与参数设置的软件实现

      在软件编程中，还需要实现测试流程和参数设置的功能。测试流程包括电池的安装、温度初始化、测试过程的启动和停止等环节。通过编写相应的软件代码，实现对测试流程的自动化控制。例如，在电池安装完成后，软件自动进行温度初始化，将测试夹具的温度调整到初始设定值。在测试过程中，软件根据设定的测试参数，如温度变化速率、测试时间和充放电倍率等，控制温度控制系统和电池测试设备的工作。测试参数设置界面采用图形化用户界面（GUI）设计，方便用户输入和修改测试参数。用户可以通过 GUI 界面设置不同的温度曲线、测试循环次数和其他相关参数。软件对用户输入的参数进行合法性检查和处理，确保测试过程的顺利进行。通过软件实现测试流程和参数设置的功能，提高了测试的便捷性和灵活性。

（3）实时监测与反馈机制的建立

      为了实现动态温控技术的实时性和准确性，需要建立实时监测与反馈机制。在软件中，通过定时中断程序不断读取温度传感器采集的温度数据，并将其与设定温度进行比较。当温度偏差超出允许范围时，软件根据温度控制算法计算出调整量，并将控制信号发送给加热与制冷模块，对温度进行调节。同时，软件将实时温度数据和测试状态信息显示在 GUI 界面上，供用户实时监测。此外，软件还可以设置报警功能，当温度异常或测试过程出现故障时，及时发出报警信号，提醒用户进行处理。通过建立实时监测与反馈机制，实现了对温度的动态跟踪和及时调整，确保平板电池高温测试的顺利进行。

五、实验验证与结果分析

1.实验设计与测试方案

（1）实验目的与样本选择

      本次实验的目的是验证基于平板电池高温测试夹具的动态温控技术的有效性和准确性。实验选择了不同类型的平板电池作为测试样本，包括锂离子电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池等。这些电池在市场上应用广泛，具有不同的化学组成和性能特点。通过对多种类型电池的测试，能够更全面地评估动态温控技术在不同电池体系中的应用效果。在选择电池样本时，确保电池的一致性和质量，对电池进行预筛选和预处理，以保证实验结果的可靠性。

（2）测试设备与环境搭建

      实验采用自行研制的平板电池高温测试夹具，该夹具集成了动态温控系统、电池充放电测试设备和数据采集系统。温度传感器选用高精度热电偶，确保温度测量的准确性。加热装置采用陶瓷加热片，制冷装置采用半导体制冷片，以实现快速、精确的温度调节。电池充放电测试设备能够提供不同的充放电倍率和测试模式。在测试环境搭建方面，将测试夹具放置在恒温恒湿的实验室内，控制环境温度为 25℃±2℃，相对湿度为 50%±5%，以减少环境因素对测试结果的影响。同时，对测试设备进行校准和调试，确保设备的正常运行和测试数据的准确性。

（3）动态温控测试流程

      实验的动态温控测试流程如下：首先，将平板电池安装在测试夹具中，连接好温度传感器、加热与制冷装置以及电池充放电测试设备。然后，通过软件设置测试参数，包括初始温度、目标温度、温度变化速率和测试时间等。测试开始后，温度控制系统根据设定的参数，通过控制加热与制冷模块的工作，使测试夹具的温度按照预定的温度曲线变化。在温度变化过程中，电池充放电测试设备对电池进行充放电操作，数据采集系统实时采集电池的电压、电流、温度等参数。当温度达到目标温度后，保持一段时间，继续采集数据。最后，测试结束，停止加热与制冷装置和电池充放电测试设备的工作，对采集到的数据进行分析和处理。

2.实验数据采集与分析

（1）温度数据的采集与处理

      在实验过程中，通过数据采集系统以每秒 10 次的频率采集温度传感器测量的温度数据。采集到的温度数据包括电池表面不同位置的温度以及测试夹具内部的温度。对采集到的温度数据进行预处理，去除异常值和噪声干扰。然后，根据时间序列对温度数据进行分析，绘制温度随时间变化的曲线。通过观察温度曲线，可以直观地了解动态温控系统对温度的控制效果，包括温度的上升速率、下降速率以及温度的稳定性。同时，计算温度的平均值、标准差和最大偏差等统计参数，以量化评估温度控制的精度和稳定性。

（2）电池性能参数的监测与分析

       除了温度数据，实验还实时监测电池的性能参数，如电压、电流、容量和内阻等。电池充放电测试设备记录电池在不同温度下的充放电曲线，通过对充放电曲线的分析，可以得到电池的容量变化、充放电效率和循环寿命等性能指标。例如，通过比较不同温度下电池的放电容量，可以评估温度对电池容量的影响。分析电池的内阻随温度的变化关系，有助于了解电池内部的化学反应过程和电极材料的性能变化。将电池性能参数与温度数据相结合，研究温度变化对电池性能的影响规律，为电池的优化设计和应用提供依据。

（3）对比实验结果分析

       为了进一步验证动态温控技术的优势，进行了对比实验。对比实验采用传统的静态温控方式，将电池放置在恒温环境中进行测试，其他测试条件与动态温控测试相同。通过对比动态温控测试和静态温控测试的结果，发现动态温控测试能够更真实地反映电池在实际使用中的性能变化。在动态温度变化过程中，电池的容量衰减和内阻增大情况与静态温控测试有明显差异。动态温控测试结果显示，电池在温度快速变化时，其性能受到的影响更为显著，这与实际应用中的情况相符。而静态温控测试由于无法模拟温度的动态变化，可能会低估或高估电池在实际使用中的性能问题。对比实验结果充分证明了动态温控技术在平板电池高温测试中的有效性和重要性。

3.动态温控技术的性能评估

（1）温度控制精度与稳定性评估

     根据实验数据，对动态温控技术的温度控制精度和稳定性进行评估。温度控制精度通过计算实际温度与设定温度的偏差来衡量。实验结果表明，在设定温度范围内（40℃ - 80℃），动态温控系统的温度控制精度能够达到 ±1℃，满足平板电池高温测试对温度精度的要求。温度稳定性通过分析温度随时间的波动情况来评估，计算温度的标准差。实验数据显示，在稳定状态下，温度的标准差小于 0.5℃，表明动态温控系统具有良好的温度稳定性，能够为电池测试提供稳定的温度环境。

（2）对电池性能测试准确性的提升

      通过对比动态温控测试和静态温控测试对电池性能测试结果的影响，评估动态温控技术对电池性能测试准确性的提升效果。实验结果表明，动态温控测试能够更准确地反映电池在实际高温工况下的性能变化。

六、总结

      基于平板电池高温测试夹具的动态温控技术能够满足平板电池高温测试的需求，为深入研究平板电池在高温环境下的性能提供了可靠的测试手段，对推动平板电池产业的发展具有重要意义。未来可进一步优化该技术，以适应更多复杂的测试场景和更高的测试要求。

产品展示

       SSC-SOFCSOEC80系列高温平板电池夹具，适用于固体氧化物电池测试SOFC和电热催化系统评价SOEC。其采用氧化铝陶瓷作为基本材料，避免了不锈钢夹具在高温下的Cr 挥发，因此可以排除Cr挥发对于阴极性能的影响；采用铂金网作为电流收集材料，不需要设置筋条结构，因此可以认为气体的流动、扩散基本没有“死区"，可以尽可能地释放出电池的性能；夹具的流场也可以根据需要调整为对流或顺流，可以考察流动方式的影响。对于电池的寿命可以更加准确地进行测试和判断，特别是电池供应商，表征产品在理想情况(即排除不合理流场干扰等)下的性能，所以多采用此类夹具。

产品优势：

（1）SOFC 平板型评价夹具可对应 20*20mm，30*30mm，耐温900℃。

（2）全陶瓷制可避免金属内不良元素的影响,适合耐久性实验。

（3）高温弹簧构造排除了构成材料内热应力的影响。

（4）可定制客户要求的尺寸。

（5）气体密闭采用了高温弹簧压缩电池的方法，

（6）更换及电炉里的装配电流端子，电压端子，热电偶端子，输气和排气口，气体流量Max 2L/min；

（7）铂金集流体和铂金电压、电流线。