电池创新中心采用高速热成像技术进行电池滥用测试

电池创新中心 (BIC) 位于印第安纳州的纽伯里,是一家合作性非营利机构,专注于为商业和国防客户提供安全、可靠和轻量化电池的快速开发、测试、验证和商业化。其部分测试过程包括各种滥用测试,将电池暴露于最恶劣的情况,以确定并解决由此产生的安全问题。为了从这些测试中收集尽可能多的数据,BIC 采用了 Teledyne FLIR 高速热像仪,可显示用其他技术无法捕捉的热成像细节。

“在进行测试时,我们希望收集尽可能多的数据,并且我们希望能够确信我们的数据是准确的,”BIC 项目总监 Ashley Gordon 解释说。高速热成像确保了他们能够收集尽可能全面和准确的数据。

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用高速热成像记录的电池针刺测试。

BIC 在行业中的重要作用

BIC 凭借广泛的知识,并通过与行业领导者、学术界和政府机构的合作,为客户提供保证和所需的结果数据,以确保其产品尽可能安全。“我们竭尽所能帮助整个行业学习下一代先进储能技术,包括进行电池的制造、设计、测试和评估,”BIC 总裁兼首席执行官 (CEO) Ben Wrightsman 说。

“测试至关重要”,他继续说,并解释了近年来我们对电池的需求为何急剧增长。为了满足这一需求,电池的型号在不断增加,使其性能和安全性的验证变得越来越重要。

其客户范围很广,既有初创公司,也有全球最大的原始设备制造商 (OEM) 和生产商,它们处于开发新兴技术的最前沿。“我们在电动汽车 (EV) 领域拥有大量客户,他们非常重视安全,”Grodon 说。“他们正努力引进这种下一代技术,以帮助我们的设备在用于电网储能时能持续更长的时间,但同时也是为了制造更安全的电池,从而降低设备使用者面临危险的几率。

“从消费品到电动汽车和电网储能,我们都很关注,并且能够处理目前电池所采用的所有化学品。”

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BIC 的实验室技术员 Rodney Kidd 通过设置高速热像仪来监控电池测试。

事故是难免的,而在事故发生时,一定要知道电池会有什么反应 - 如果电池着火,引起周围材料着火的速度有多快,可能性有多大。“我们模拟最坏的情况以收集数据,然后就知道预期会发生什么情况,”Gordon 说。

BIC 在 2020 年年底购入的高速热成像仪已成为其收集数据的关键。

热电偶的局限性

“在我们拥有热成像仪之前,主要采用体积较大的热电偶和更普通的红外 (IR) 设备,”BIC 研究总监 James Fleetwood 博士说。热电偶是一种由两根不同的导线组成的廉价温度传感器,常用于工业领域的温度测试。然而,它们也存在许多局限,特别是对于在 BIC 进行的那种测试。

热电偶的主要缺点是一次只能测量一个点。“如果我只使用热电偶,得到的是接触点的温度读数。这意味着只有热电偶所在位置的读数,”BIC 实验室技术员 Rodney Kidd 解释说。

热电偶的放置也容易出现偏差。“这是一种自我实现反馈,”Fleetwood 博士说。“你其实并不知道热点在哪里。你只有与你所认为的位置对应的测量值。”

模拟短路的滥用测试

电池要接受的滥用测试之一是针刺,该测试用于模拟短路,而短路可能导致电池过热、着火甚至爆炸。“如果我们在进行针刺测试时只能使用热电偶,你实际上必须在整个电池表面放置一千个热电偶,才能清楚地了解整个电池的温度分布,”Kidd 说。

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在电池滥用测试过程中使用的钢针的特写。

了解短路和热量扩散如何导致气体积聚及这些气体和其他电池材料从哪里排出(以及它们有多热)对于工程师来说非常重要。“我们不能保证每次都能防止电池着火,”Kidd 解释说,“但我们可以减轻损害程度,并引导其进入安全的通道。”

“这是我们以前用热电偶和普通红外热像仪所无法捕捉到的,”Kidd 说。虽然它们也能看到碎屑排出,但材料在接触大气时会立即冷却。“有了高速热像仪,”他解释说,“我就可以放慢速度,并捕捉到这种材料,其温度有时高达 5、6、700℃,甚至更高。”

FLIR 高速热成像技术可以展现全局

热成像技术与热电偶不同,热电偶必须直接放置在采集温度数据的点上,而热成像则可同时提供电池上每个点的数据。“它可以提供全局视野,”Gordon 说,“并且收集的数据点显然多得多,这有助于对其进行分析,并且可以帮助我们提出下一步要进行的测试。”

通过热成像仪,工程师不仅可以很容易看到在滥用测试时电池外部发生的情况,还可以看到内部发生的情况,以及热量的变化情况。“我们可以立即看到温度是如何传递的,并且可以立即看到是否出现热点,即使在那个点上没有热电偶,”Gordon 继续说。

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高速热成像捕捉到针刺测试过程中电池的热扩散。

其结果是热成像比单纯的通过/失败认证提供了多得多的信息。“比起系统是否着火,热图谱可以告诉你更多有关热管理系统效果的信息,”Fleetwood 博士说。热成像不仅每一帧都提供大量数据,而且还提供了一种直观了解测试过程中的情况的方法。“我认为,一般而言,与包含成千上万的数字和通用图表的 Excel 表格相比,每一个人都更能理解图像(视频)所展示的情况。”

了解更多有关 Teledyne FLIR 高速热成像解决方案的信息:www.flir.cn/instruments/science/high-speed-ir/

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