本文聚焦于平板電池高溫測試夾具中的動態溫控技術。通過對當前電池測試需求的分析，闡述了動態溫控技術在平板電池測試中的重要性。詳細介紹了動態溫控技術的原理、實現方式以及在高溫測試夾具中的應用。研究表明，該技術能夠有效提升平板電池高溫測試的準確性和可靠性，為電池性能優化和安全評估提供了有力支持。同時，對未來動態溫控技術在電池測試領域的發展方向進行了展望。

一、引言

      隨著電子設備的廣泛應用和電動汽車產業的快速發展，對電池性能的要求日益提高。平板電池因其結構和性能優勢，在眾多領域得到了廣泛應用。然而，電池在高溫環境下的性能變化直接影響其安全性和使用壽命。因此，準確測試平板電池在高溫環境下的性能至關重要。高溫測試夾具作為電池測試的關鍵設備，其溫控技術的精度和穩定性對測試結果有著決定性影響。傳統的靜態溫控技術已難以滿足日益復雜的測試需求，動態溫控技術應運而生。動態溫控技術能夠根據測試過程中電池的實時狀態和環境變化，精確調節測試夾具的溫度，從而更真實地模擬電池在實際使用中的高溫工況，為電池性能研究提供更可靠的數據支持。

二、平板電池高溫測試需求分析

（1）電池高溫性能的重要性

      在高溫環境下，電池內部的化學反應速率加快，可能導致電池容量衰減、內阻增大、循環壽命縮短等問題。例如，在電動汽車行駛過程中，電池會因自身發熱和環境溫度升高而處于高溫狀態，如果電池在高溫下性能不穩定，將嚴重影響電動汽車的續航里程和安全性。對于一些在高溫環境下工作的電子設備，如戶外監控設備、工業控制設備等，電池的高溫性能直接關系到設備的正常運行。因此，研究平板電池在高溫下的性能變化規律，對于優化電池設計、提高電池性能和安全性具有重要意義。

（2）傳統測試方法的局限性

      傳統的平板電池高溫測試方法通常采用靜態溫控方式，即將電池放置在恒溫環境中進行測試。這種方法無法模擬電池在實際使用中溫度的動態變化情況，導致測試結果與實際應用存在較大偏差。例如，在實際使用中，電池的溫度會隨著充放電過程、環境溫度變化以及設備負載的不同而發生動態變化。而靜態溫控測試方法無法反映這些動態因素對電池性能的影響，使得測試結果不能準確評估電池在復雜工況下的性能表現。此外，傳統測試方法的溫度控制精度有限，難以滿足對電池性能高精度測試的要求。在高溫測試中，微小的溫度波動都可能對電池的化學反應過程產生顯著影響，從而導致測試結果的不準確。

（3）動態溫控技術的需求背景

      為了更準確地模擬平板電池在實際使用中的高溫工況，提高測試結果的可靠性和有效性，迫切需要引入動態溫控技術。動態溫控技術能夠根據電池的實時狀態和環境變化，快速、精確地調節測試夾具的溫度，實現對電池溫度的動態控制。例如，在電池充放電過程中，動態溫控系統可以根據電池的發熱情況實時調整溫度，模擬電池在不同充放電倍率下的溫度變化。同時，動態溫控技術還可以結合實際應用場景中的溫度變化曲線，對電池進行更貼近實際的高溫測試。這種動態溫控方式能夠更全面、準確地反映電池在復雜高溫環境下的性能變化，為電池的研發、優化和安全評估提供更可靠的數據支持。

三、動態溫控技術原理

（1）溫度傳感器的工作機制

      溫度傳感器是動態溫控技術的關鍵組成部分，其作用是實時監測平板電池和測試夾具的溫度。常見的溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻和紅外溫度傳感器等。熱電偶是基于熱電效應工作的，當兩種不同材料的導體組成閉合回路時，若兩個接點處的溫度不同，回路中就會產生熱電勢，通過測量熱電勢的大小即可得到溫度值。熱敏電阻則是利用材料的電阻值隨溫度變化的特性來測量溫度，其電阻值與溫度之間存在特定的函數關系。紅外溫度傳感器通過檢測物體輻射的紅外線能量來測量溫度，無需接觸被測物體，能夠快速、準確地獲取物體表面的溫度。在平板電池高溫測試夾具中，溫度傳感器被精確安裝在電池表面和夾具關鍵部位，以確保能夠實時、準確地感知溫度變化，并將溫度信號轉化為電信號傳輸給溫度控制系統。

（2）溫度控制系統的算法與模型

      溫度控制系統采用先進的控制算法和模型來實現對溫度的精確調節。常見的控制算法有比例 - 積分 - 微分（PID）控制算法、模糊控制算法和模型預測控制算法等。PID 控制算法根據設定溫度與實際測量溫度的偏差，通過比例、積分和微分三個環節的運算來調整控制量，使溫度快速、穩定地接近設定值。模糊控制算法則是基于模糊邏輯，將溫度偏差和偏差變化率等語言變量轉化為模糊集合，通過模糊推理和模糊決策來確定控制量，該算法能夠處理復雜的非線性系統，對模型精度要求較低。模型預測控制算法通過建立系統的預測模型，根據未來一段時間內的預測誤差來優化控制量，具有良好的動態性能和抗干擾能力。在平板電池高溫測試夾具的溫度控制系統中，通常會根據實際需求選擇合適的控制算法或結合多種算法的優勢，以實現對溫度的高精度、快速響應控制。同時，系統還會建立電池和夾具的熱模型，考慮電池的發熱特性、夾具的熱傳導和熱輻射等因素，通過對模型的仿真和優化來提高溫度控制的準確性和穩定性。

（3）加熱與制冷模塊的協同工作

      加熱與制冷模塊是實現動態溫控的執行機構，它們協同工作以調節測試夾具的溫度。加熱模塊通常采用電阻加熱絲、陶瓷加熱片或紅外加熱裝置等，通過電能轉化為熱能來升高溫度。電阻加熱絲成本較低，應用廣泛，但加熱速度相對較慢；陶瓷加熱片具有加熱速度快、溫度均勻性好等優點；紅外加熱裝置則能夠實現非接觸式加熱，對電池的影響較小。制冷模塊一般采用壓縮式制冷、半導體制冷或水冷制冷等方式。壓縮式制冷效率高，適用于大規模的溫度控制；半導體制冷體積小、響應速度快，能夠實現精確的溫度調節；水冷制冷則通過循環水帶走熱量，具有良好的散熱效果。在動態溫控過程中，溫度控制系統根據溫度傳感器反饋的信號，控制加熱與制冷模塊的工作狀態。當溫度低于設定值時，加熱模塊啟動，增加熱量輸入；當溫度高于設定值時，制冷模塊啟動，降低溫度。通過精確協調加熱與制冷模塊的工作，實現對測試夾具溫度的快速、精確調節，滿足平板電池高溫測試的動態溫控需求。

四、動態溫控技術在高溫測試夾具中的實現

1.硬件設計與集成

（1）溫度傳感器的選型與布局

      在平板電池高溫測試夾具的硬件設計中，溫度傳感器的選型和布局至關重要。根據測試需求和精度要求，選擇合適類型的溫度傳感器。例如，對于對溫度精度要求較高的測試，可選用高精度的熱電偶或熱敏電阻。在布局方面，將溫度傳感器均勻分布在平板電池的表面，特別是在電池的正負極、電極邊緣和中心部位等關鍵位置，以全面、準確地監測電池表面的溫度分布。同時，在測試夾具的內部和外部關鍵部位也安裝溫度傳感器，用于監測夾具自身的溫度變化以及環境溫度對夾具的影響。通過合理的選型和布局，確保溫度傳感器能夠實時、準確地獲取電池和夾具的溫度信息，為溫度控制系統提供可靠的數據支持。

（2）加熱與制冷裝置的安裝與連接

      加熱與制冷裝置的安裝和連接直接影響其工作效率和溫度控制效果。對于加熱裝置，如電阻加熱絲，需要將其均勻纏繞在測試夾具的加熱區域，并確保與夾具緊密接觸，以提高熱傳導效率。陶瓷加熱片和紅外加熱裝置則根據其結構特點，選擇合適的安裝位置，保證加熱的均勻性和對電池的有效加熱。制冷裝置的安裝需要考慮散熱和制冷效果，例如壓縮式制冷裝置的冷凝器需要安裝在通風良好的位置，以確保散熱順暢。半導體制冷片和水冷制冷裝置的連接要保證冷卻液的循環暢通，避免出現泄漏和堵塞等問題。在安裝過程中，要嚴格按照設備的安裝說明書進行操作，并對加熱與制冷裝置進行電氣連接和控制線路連接，確保其能夠與溫度控制系統協同工作，實現對溫度的精確調節。

（3）數據采集與傳輸系統的搭建

      為了實現對溫度數據的實時采集和傳輸，需要搭建數據采集與傳輸系統。該系統主要包括數據采集卡、信號調理模塊和數據傳輸線路等。數據采集卡負責將溫度傳感器輸出的電信號轉換為數字信號，并進行數據采集和存儲。信號調理模塊對溫度傳感器輸出的信號進行放大、濾波和隔離等處理，以提高信號的質量和穩定性。數據傳輸線路則將采集到的溫度數據傳輸給溫度控制系統和上位機進行分析和處理。在選擇數據采集卡和信號調理模塊時，要根據溫度傳感器的類型、數量和數據采集的精度要求進行合理選型。同時，要確保數據傳輸線路的可靠性和穩定性，采用屏蔽電纜等措施減少信號干擾。通過搭建高效的數據采集與傳輸系統，實現對溫度數據的快速、準確采集和傳輸，為動態溫控技術的實現提供數據保障。

2.軟件編程與控制策略

（1）溫度控制算法的編程實現

      根據選定的溫度控制算法，如 PID 控制算法、模糊控制算法或模型預測控制算法，進行軟件編程實現。在編程過程中，需要將算法的數學模型轉化為計算機可執行的代碼。以 PID 控制算法為例，首先定義溫度偏差、比例系數、積分系數和微分系數等變量，然后根據 PID 控制算法的公式編寫計算控制量的代碼。在實際應用中，還需要考慮算法的實時性和穩定性，對代碼進行優化和調試。對于模糊控制算法，需要定義模糊語言變量、模糊集合和模糊規則，并通過編程實現模糊推理和模糊決策的過程。模型預測控制算法的編程實現則需要建立系統的預測模型，并根據預測誤差優化控制量的計算。通過精確的編程實現，使溫度控制算法能夠準確地調節加熱與制冷模塊的工作，實現對溫度的高精度控制。

（2）測試流程與參數設置的軟件實現

      在軟件編程中，還需要實現測試流程和參數設置的功能。測試流程包括電池的安裝、溫度初始化、測試過程的啟動和停止等環節。通過編寫相應的軟件代碼，實現對測試流程的自動化控制。例如，在電池安裝完成后，軟件自動進行溫度初始化，將測試夾具的溫度調整到初始設定值。在測試過程中，軟件根據設定的測試參數，如溫度變化速率、測試時間和充放電倍率等，控制溫度控制系統和電池測試設備的工作。測試參數設置界面采用圖形化用戶界面（GUI）設計，方便用戶輸入和修改測試參數。用戶可以通過 GUI 界面設置不同的溫度曲線、測試循環次數和其他相關參數。軟件對用戶輸入的參數進行合法性檢查和處理，確保測試過程的順利進行。通過軟件實現測試流程和參數設置的功能，提高了測試的便捷性和靈活性。

（3）實時監測與反饋機制的建立

      為了實現動態溫控技術的實時性和準確性，需要建立實時監測與反饋機制。在軟件中，通過定時中斷程序不斷讀取溫度傳感器采集的溫度數據，并將其與設定溫度進行比較。當溫度偏差超出允許范圍時，軟件根據溫度控制算法計算出調整量，并將控制信號發送給加熱與制冷模塊，對溫度進行調節。同時，軟件將實時溫度數據和測試狀態信息顯示在 GUI 界面上，供用戶實時監測。此外，軟件還可以設置報警功能，當溫度異常或測試過程出現故障時，及時發出報警信號，提醒用戶進行處理。通過建立實時監測與反饋機制，實現了對溫度的動態跟蹤和及時調整，確保平板電池高溫測試的順利進行。

五、實驗驗證與結果分析

1.實驗設計與測試方案

（1）實驗目的與樣本選擇

      本次實驗的目的是驗證基于平板電池高溫測試夾具的動態溫控技術的有效性和準確性。實驗選擇了不同類型的平板電池作為測試樣本，包括鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池等。這些電池在市場上應用廣泛，具有不同的化學組成和性能特點。通過對多種類型電池的測試，能夠更全面地評估動態溫控技術在不同電池體系中的應用效果。在選擇電池樣本時，確保電池的一致性和質量，對電池進行預篩選和預處理，以保證實驗結果的可靠性。

（2）測試設備與環境搭建

      實驗采用自行研制的平板電池高溫測試夾具，該夾具集成了動態溫控系統、電池充放電測試設備和數據采集系統。溫度傳感器選用高精度熱電偶，確保溫度測量的準確性。加熱裝置采用陶瓷加熱片，制冷裝置采用半導體制冷片，以實現快速、精確的溫度調節。電池充放電測試設備能夠提供不同的充放電倍率和測試模式。在測試環境搭建方面，將測試夾具放置在恒溫恒濕的實驗室內，控制環境溫度為 25℃±2℃，相對濕度為 50%±5%，以減少環境因素對測試結果的影響。同時，對測試設備進行校準和調試，確保設備的正常運行和測試數據的準確性。

（3）動態溫控測試流程

      實驗的動態溫控測試流程如下：首先，將平板電池安裝在測試夾具中，連接好溫度傳感器、加熱與制冷裝置以及電池充放電測試設備。然后，通過軟件設置測試參數，包括初始溫度、目標溫度、溫度變化速率和測試時間等。測試開始后，溫度控制系統根據設定的參數，通過控制加熱與制冷模塊的工作，使測試夾具的溫度按照預定的溫度曲線變化。在溫度變化過程中，電池充放電測試設備對電池進行充放電操作，數據采集系統實時采集電池的電壓、電流、溫度等參數。當溫度達到目標溫度后，保持一段時間，繼續采集數據。最后，測試結束，停止加熱與制冷裝置和電池充放電測試設備的工作，對采集到的數據進行分析和處理。

2.實驗數據采集與分析

（1）溫度數據的采集與處理

      在實驗過程中，通過數據采集系統以每秒 10 次的頻率采集溫度傳感器測量的溫度數據。采集到的溫度數據包括電池表面不同位置的溫度以及測試夾具內部的溫度。對采集到的溫度數據進行預處理，去除異常值和噪聲干擾。然后，根據時間序列對溫度數據進行分析，繪制溫度隨時間變化的曲線。通過觀察溫度曲線，可以直觀地了解動態溫控系統對溫度的控制效果，包括溫度的上升速率、下降速率以及溫度的穩定性。同時，計算溫度的平均值、標準差和最大偏差等統計參數，以量化評估溫度控制的精度和穩定性。

（2）電池性能參數的監測與分析

       除了溫度數據，實驗還實時監測電池的性能參數，如電壓、電流、容量和內阻等。電池充放電測試設備記錄電池在不同溫度下的充放電曲線，通過對充放電曲線的分析，可以得到電池的容量變化、充放電效率和循環壽命等性能指標。例如，通過比較不同溫度下電池的放電容量，可以評估溫度對電池容量的影響。分析電池的內阻隨溫度的變化關系，有助于了解電池內部的化學反應過程和電極材料的性能變化。將電池性能參數與溫度數據相結合，研究溫度變化對電池性能的影響規律，為電池的優化設計和應用提供依據。

（3）對比實驗結果分析

       為了進一步驗證動態溫控技術的優勢，進行了對比實驗。對比實驗采用傳統的靜態溫控方式，將電池放置在恒溫環境中進行測試，其他測試條件與動態溫控測試相同。通過對比動態溫控測試和靜態溫控測試的結果，發現動態溫控測試能夠更真實地反映電池在實際使用中的性能變化。在動態溫度變化過程中，電池的容量衰減和內阻增大情況與靜態溫控測試有明顯差異。動態溫控測試結果顯示，電池在溫度快速變化時，其性能受到的影響更為顯著，這與實際應用中的情況相符。而靜態溫控測試由于無法模擬溫度的動態變化，可能會低估或高估電池在實際使用中的性能問題。對比實驗結果充分證明了動態溫控技術在平板電池高溫測試中的有效性和重要性。

3.動態溫控技術的性能評估

（1）溫度控制精度與穩定性評估

     根據實驗數據，對動態溫控技術的溫度控制精度和穩定性進行評估。溫度控制精度通過計算實際溫度與設定溫度的偏差來衡量。實驗結果表明，在設定溫度范圍內（40℃ - 80℃），動態溫控系統的溫度控制精度能夠達到 ±1℃，滿足平板電池高溫測試對溫度精度的要求。溫度穩定性通過分析溫度隨時間的波動情況來評估，計算溫度的標準差。實驗數據顯示，在穩定狀態下，溫度的標準差小于 0.5℃，表明動態溫控系統具有良好的溫度穩定性，能夠為電池測試提供穩定的溫度環境。

（2）對電池性能測試準確性的提升

      通過對比動態溫控測試和靜態溫控測試對電池性能測試結果的影響，評估動態溫控技術對電池性能測試準確性的提升效果。實驗結果表明，動態溫控測試能夠更準確地反映電池在實際高溫工況下的性能變化。

六、總結

      基于平板電池高溫測試夾具的動態溫控技術能夠滿足平板電池高溫測試的需求，為深入研究平板電池在高溫環境下的性能提供了可靠的測試手段，對推動平板電池產業的發展具有重要意義。未來可進一步優化該技術，以適應更多復雜的測試場景和更高的測試要求。

產品展示

       SSC-SOFCSOEC80系列高溫平板電池夾具，適用于固體氧化物電池測試SOFC和電熱催化系統評價SOEC。其采用氧化鋁陶瓷作為基本材料，避免了不銹鋼夾具在高溫下的Cr 揮發，因此可以排除Cr揮發對于陰極性能的影響；采用鉑金網作為電流收集材料，不需要設置筋條結構，因此可以認為氣體的流動、擴散基本沒有“死區"，可以盡可能地釋放出電池的性能；夾具的流場也可以根據需要調整為對流或順流，可以考察流動方式的影響。對于電池的壽命可以更加準確地進行測試和判斷，特別是電池供應商，表征產品在理想情況(即排除不合理流場干擾等)下的性能，所以多采用此類夾具。

產品優勢：

（1）SOFC 平板型評價夾具可對應 20*20mm，30*30mm，耐溫900℃。

（2）全陶瓷制可避免金屬內不良元素的影響,適合耐久性實驗。

（3）高溫彈簧構造排除了構成材料內熱應力的影響。

（4）可定制客戶要求的尺寸。

（5）氣體密閉采用了高溫彈簧壓縮電池的方法，

（6）更換及電爐里的裝配電流端子，電壓端子，熱電偶端子，輸氣和排氣口，氣體流量Max 2L/min；

（7）鉑金集流體和鉑金電壓、電流線。