一种基于帕尔贴主动热边界自感知与补偿量程调节的电池等温量热测量系统及方法

本发明属于电池热特性测试，尤其涉及一种基于帕尔贴主动热边界自感知与补偿量程调节的电池等温量热测量系统及方法。

背景技术：

1、电池在充放电过程中会伴随产生不可逆热、可逆热及副反应热等多种热效应，其产热功率和累计产热量是进行电池热管理系统设计、热安全状态评估以及热参数辨识的重要基础数据。准确获取电池的热特性参数，对于保障电池在复杂工况下的安全性与可靠性具有关键意义。等温量热法能够在设定温度条件下直接测量电池的吸放热行为，因其测试条件可控性强，已被广泛应用于电池热特性的实验研究与工程测试中。

2、目前，功率补偿型方案是电池等温量热测量领域的一类常用技术路线。其基本工作原理是，通过恒温热沉或外部温控装置为待测电池提供稳定的等温环境。在测量过程中，当电池发生放热或吸热时，系统实时调节补偿加热器的输出功率，使电池或其相邻导热结构维持在设定的等温温度附近。此时，根据补偿功率的变化量来推算电池的实时产热功率。相较于传统量热方法，该类方案具有结构相对紧凑、能够支持在线连续测量等优势，因此在实验室测试和工程应用中获得了较多关注。

3、然而，现有的功率补偿型电池等温量热测量方法在实际应用中仍存在若干难以克服的技术不足。

4、首先，该类方法所依赖的恒温环境通常由外部恒温箱或循环液冷系统提供。上述设备不仅系统体积较大、集成度低，而且其热响应速度普遍较慢。当电池在大倍率充放电或脉冲工况下产生快速变化的瞬态产热时，温控系统难以及时进行跟踪与补偿，导致测量结果存在较大的滞后和偏差，难以真实反映电池的动态热行为。

5、其次，在高倍率充放电或强放热等极端工况下，功率补偿模块的输出功率可能下降至接近其下限，甚至进入饱和状态。此时，补偿功率将无法继续随电池产热的变化而相应改变，导致测量信号失真。同样，在电池吸热或产热较弱的工况下，补偿功率亦可能接近其输出上限，从而影响测量的有效量程和灵敏度。上述量程受限问题，极大制约了该方法对不同类型电池和不同工况的通用性与适应性。

6、此外，现有研究中对于测量结果的动态修正，多采用功率曲线拟合、时间常数修正或基于等效传热模型的补偿策略。这些修正方法主要针对测量系统的热惰性和基线漂移等固有特性进行后处理校正，但其修正能力有限，无法对热边界条件的实际变化做出实时响应。在实际测试过程中，热边界状态往往会受到接触热阻波动、外部环境温度扰动等因素的影响，而这些扰动所引入的测量误差难以通过现有的模型修正手段予以有效消除，最终影响了产热功率测量结果的准确性和可靠性。

7、综上所述，如何构建一种能够兼顾快速响应、宽量程适应能力以及对热边界变化具有自感知能力的等温量热测量方案，已成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决现有功率补偿型电池等温量热测量中响应速度慢、热边界状态不可感知、补偿功率易发生量程饱和以及热边界扰动难以进入产热计算的问题，本发明提供了一种基于帕尔贴主动热边界自感知与补偿量程调节的电池等温量热测量系统及方法，通过帕尔贴主动热边界模块实现热边界调节状态与热边界感知状态的切换，在测试过程中根据补偿功率所处量程区间自适应调节帕尔贴移热或补热能力，并将帕尔贴热电感知信号转换为热边界修正项参与实时产热功率计算，从而提高电池动态产热测量结果的准确性和适用范围。

2、本发明提供了一种基于帕尔贴主动热边界自感知与补偿量程调节的电池等温量热测量系统，包括：

3、功率补偿模块，设置于待测电池的至少一侧，用于向待测电池提供电加热补偿功率；

4、帕尔贴主动热边界模块，设置于待测电池的至少一侧，用于在热边界调节状态下对待测电池进行制冷或制热，并在热边界感知状态下输出表征热边界状态的热电感知信号；

5、帕尔贴驱动模块，与所述帕尔贴主动热边界模块连接，用于驱动所述帕尔贴主动热边界模块在所述热边界调节状态与所述热边界感知状态之间切换；

6、控制模块，与所述功率补偿模块、所述帕尔贴驱动模块和数据采集与处理模块连接，用于获取所述功率补偿模块的实时补偿功率，并根据所述实时补偿功率与预设有效测量区间的关系，控制所述帕尔贴主动热边界模块的制冷或制热输出，以使所述实时补偿功率维持在所述预设有效测量区间内；

7、数据采集与处理模块，用于采集待测电池的电学参数、温度参数、所述实时补偿功率以及所述热电感知信号，并根据基准补偿功率、所述实时补偿功率、由所述热电感知信号获得的热边界修正项以及系统蓄热修正项，计算待测电池的实时产热功率。

8、可选地，还包括匀热导热结构和保温隔热模块；

9、所述匀热导热结构设置于待测电池与所述功率补偿模块之间以及待测电池与所述帕尔贴主动热边界模块之间，用于均匀传递热量；

10、所述保温隔热模块覆盖于待测电池、所述功率补偿模块和所述帕尔贴主动热边界模块的外侧，用于降低测量系统与外部环境之间的热交换。

11、可选地，还包括散热装置，所述散热装置设置于所述帕尔贴主动热边界模块的背对待测电池的外侧，用于为所述帕尔贴主动热边界模块提供散热或换热条件。

12、可选地，所述帕尔贴主动热边界模块包括上侧帕尔贴单元和下侧帕尔贴单元，所述上侧帕尔贴单元和所述下侧帕尔贴单元分别设置于待测电池的上下两侧，且分别独立工作于制冷模式、制热模式或热边界感知模式。

13、可选地，所述热边界感知状态为短时断电采样状态、开路采样状态或低扰动采样状态；在所述热边界感知状态下，所述数据采集与处理模块采集所述帕尔贴主动热边界模块两端的热电电压或驱动电流，并根据帕尔贴热电效应估计所述帕尔贴主动热边界模块两侧的温差或边界热流。

14、本发明还提供一种基于帕尔贴主动热边界自感知与补偿量程调节的电池等温量热测量方法，包括：

15、将待测电池置于功率补偿模块和帕尔贴主动热边界模块形成的传热结构中，启动所述功率补偿模块和所述帕尔贴主动热边界模块，使待测电池达到设定等温状态，获取稳定状态下的基准补偿功率；

16、在待测电池进行充放电测试过程中，采集待测电池的温度、电压、电流、所述功率补偿模块的实时补偿功率以及所述帕尔贴主动热边界模块的热电感知信号，并控制所述帕尔贴主动热边界模块在热边界调节状态与热边界感知状态之间切换；

17、在所述热边界调节状态下通过所述帕尔贴主动热边界模块对待测电池进行制冷或制热，在所述热边界感知状态下采集所述热电感知信号以表征热边界状态；

18、根据所述实时补偿功率与预设有效测量区间的关系，调节所述帕尔贴主动热边界模块的移热或补热能力，使所述实时补偿功率维持在所述预设有效测量区间内；

19、将所述基准补偿功率与所述实时补偿功率的差值、由所述热电感知信号得到的热边界修正项以及系统蓄热修正项相加，获得待测电池的实时产热功率。

20、可选地，所述控制帕尔贴主动热边界模块在热边界调节状态与热边界感知状态之间切换，并在热边界感知状态下采集热电感知信号以表征热边界状态的步骤具体包括：

21、通过短时断开帕尔贴主动热边界模块的驱动电流、开路采样帕尔贴主动热边界模块的热电电压或在低扰动驱动条件下采集帕尔贴主动热边界模块的端电压和驱动电流，获得所述热电感知信号；

22、在所述低扰动驱动条件下，根据帕尔贴主动热边界模块的端电压、等效内阻、驱动电流和等效塞贝克系数，估计帕尔贴主动热边界模块两侧的温差。

23、可选地，所述根据实时补偿功率与预设有效测量区间的关系，调节帕尔贴主动热边界模块的移热或补热能力，使实时补偿功率维持在预设有效测量区间内的步骤具体包括：

24、将所述实时补偿功率介于预设下限值与预设上限值之间作为所述预设有效测量区间；

25、当所述实时补偿功率低于所述预设下限值时，增强帕尔贴主动热边界模块的移热能力；当所述实时补偿功率高于所述预设上限值时，降低帕尔贴主动热边界模块的移热能力或控制帕尔贴主动热边界模块进行补热。

26、可选地，所述由热电感知信号得到热边界修正项的步骤具体包括：

27、在基准等温状态下采集所述热电感知信号，获得基准热边界温差或基准边界热流；

28、在充放电测试过程中采集当前热电感知信号，获得当前热边界温差或当前边界热流；

29、根据所述当前热边界温差与所述基准热边界温差的差值，结合热边界等效热导，获得所述热边界修正项；

30、所述系统蓄热修正项根据待测电池或待测电池相邻导热结构的测量温度变化率与等效热容的乘积获得。

31、可选地，所述获得待测电池的实时产热功率的步骤之后，还包括：

32、采用滤波估计算法对所述实时补偿功率进行平滑处理，获得平滑补偿功率序列；

33、根据所述平滑补偿功率序列计算功率变化率；

34、将所述平滑补偿功率和所述功率变化率代入计算，获得修正后的待测电池实时产热功率；

35、对所述实时产热功率进行时间积分，获得待测电池累计产热量。

36、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

37、本发明基于帕尔贴主动热边界模块在热边界调节状态与热边界感知状态之间的切换机制，以及控制模块根据实时补偿功率与预设有效测量区间的关系对帕尔贴制冷或制热输出的自适应调节，实现了热边界主动调节与热边界状态自感知的一体化功能。该方案无需依赖外部恒温箱或循环液冷系统即可完成热边界的快速响应与主动控制，有效克服了传统恒温装置体积庞大、响应滞后的问题，能够对电池快速变化的瞬态产热进行及时跟踪和补偿。

38、同时，通过数据采集与处理模块将帕尔贴热电感知信号转换为热边界修正项，并将其与基准补偿功率、实时补偿功率及系统蓄热修正项共同纳入电池实时产热功率的计算，使得热边界波动、接触热阻变化或外部环境扰动等因素对产热测量的影响能够得到有效修正。上述技术手段的综合运用，显著提高了电池动态产热测量的量程适应性和结果可靠性。