电动汽车行业中的消防安全

利用温度监测为蒸蒸日上的电动汽车行业提供解决方案

引言

近年来，电动汽车（EV）行业增速迅猛。气候变化危机令人担忧，取代现有燃油汽车迫在眉睫，电动汽车因此大受欢迎。

随着对电动汽车的需求显著增加，电池组的生产制造需求也水涨船高，相关挑战日益严峻。电动汽车产量的激增还带来了多起严重火灾事故。此类事故并不局限于小型企业，Tata、TESLA及OLA等巨头亦无法幸免。这一话题进展迅速，所有事故的背后可能存在多种原因。

红外成像正是一项有助于减少事故的高科技解决方案。本文涉及电动汽车的预防性维护和材料研究。

如需理解应用，首先必须了解一些基础知识。因此，在讨论主要应用前，我将介绍这些知识。

锂离子电池基础知识

锂离子电池具有多项引人注目的优势，其中最具吸引力的是锂的电负性及其低密度的结合。在固体元素中，这种组合每单位重量产生的电能最多。

标准锂离子电池包含阳极和阴极。阴极材料通常采用氧化锂，阳极则采用碳基化合物。电子在阴极和阳极之间不断进行内部移动，形成众所周知的可充电电芯。

若化学电池的阴极为可接收锂的化合物，锂离子就会在充放电循环过程中逆向流动。电池中的氧化还原反应使电池可以充放电。（图1、2）

制造流程

1. 分拣

电芯通常进口自印度制造商，为确保不会有缺陷电芯进入生产线，必须人工分拣电芯，检查每个电芯是否明显畸形或损坏漏液，及其内阻范围。这些因素决定了电芯的状态，也与成品质量息息相关。

2. 制作电池组

根据所需输出规格，将所有电芯以串联或并联的形式焊接为电池组。电池组的基本结构由此形成。在这一过程中，需要手工检查电池组是否存在焊接变形。电池组能否进入生产线取决于其内阻和阻抗。

3. 组合电池组

利用电路和控制系统连接电池组。至此，锂离子电池组制造完成，随后将被分销给电动汽车制造商。

4. 测试

通过进行充放电循环测试成品。在这一过程中将监测电池的特性。（图3）

红外成像基础知识

红外成像的原理是物体会发出红外辐射。肉眼无法看到这种辐射，但利用针对其特定波长优化过的热像仪就可以看到。（图4）

虽然可以使用热电偶估算特定点的温度，但这样一次只能获得单个点的数据，且热电偶必须紧密接触待测物体。使用热像仪则可查看大量此类点，无需接触即可在运行条件下从安全距离监测物体温度。此类热像仪的测温精度可达0.1摄氏度。作为一种非接触式、无损测试及监测方法，红外成像被广泛应用于其他行业的消防安全领域。

可见光与红外线

仅当物体的温度达到1000℃时，肉眼才能看到其热信号。而红外热像仪可利用其红外探测器捕捉温度低至-60℃的物体的热信号。红外技术可以在没有光线的情况下使用，但与夜视摄像机大相径庭。两种摄像机的不同之处在于波长。夜视摄像机可增强微弱光线，而红外热像仪能够捕捉物体发出的热信号。红外热像仪适用于绝对黑暗环境。（图5）

一些特点

该技术存在一些限制：红外热像仪只能读取表面温度，因此无法看透玻璃。但该技术能够看透雾、薄塑料和红外检测窗，安装这种检测窗即可看透表面。红外热像仪的可视距离取决于分辨率、镜头尺寸和探测器数量。（图6）

一些应用

红外热像仪被广泛应用于各行各业。

以下列举部分应用实例：

● 电力公共设施中的预防性维护

● 石油和天然气行业中的预防性维护、挥发性有机化合物可视化、熔炉检查和火炬监测

● 制造业公司（预防性维护、质量保障、研发）

红外成像在电动汽车行业中的应用

1、焊接

为构成电池组，必须将锂电芯单元焊接在一起。但若焊接不当，成品可能出现故障。阻抗和输出可能受到影响，电池的寿命也会受到直接影响。焊接情况通常由工厂工人手工检查，但这是一种破坏性测试方法，可能导致电芯破裂。而红外成像是一种无损、非接触式焊点检测方法。借助焊缝呈现出的微小温差，我们可以轻松检测出焊接不良的焊点。焊缝不规则或温度略高即表明焊接不当。在美国，这种检测方法已被各行各业普遍采用。

2、电芯漏液

制造过程中随时可能发生肉眼几乎无法察觉的电芯漏液，从而导致电池组损坏。泄漏的电芯一旦接触到皮肤，就会带来极大危险。我们可以使用质谱仪等检测漏液，但还有更适用于检测此类微小规模漏液的方法：红外成像。

当电芯密封破裂时，液体会积聚在电芯外层，此时可检测到温差。如图所示，高分辨率红外热像仪无需接触即可在几秒钟内高效识别此类微小规模漏液。（图7，8.使用T系列热像仪识别电芯漏液）

升温不均

尽管每个阶段都会进行充分测试，偶尔仍会有故障电芯进入生产线。在测试阶段中，故障电芯可能会呈现出微小温差。肉眼可能无法看到此类温差，而使用热像仪则可轻松捕捉。如图8所示，热像仪的温度读数精确到小数点后一位，能够捕捉微小升温。

制造期间升温不均的另一个例子发生在组装电池组后的测试过程中。在充放电循环过程中，电池组容易发热。而在此测试阶段中，若不监测温度，电池组极有可能起火。虽然可使用热电偶进行无损接触监测，但该方法一次只能监测单个点的温度。锂着火速度极快，且一旦与水接触就会发生反应，因此若锂电池在工厂中起火，灭火将非常困难。（图9）

充放电

测试的最后阶段涵盖锂离子电池的充放电。在此阶段中，电池组的温度可能会升至高出环境温度5至6℃。我们可以使用热成像仪记录锂离子电池组的表面温度，并在不接触电池组的情况下估计其内部温度。

在电池组充电时，我们可以透过表面清晰地看到其中的热点。这有助于我们查明潜在问题并定位问题。由此，可全天候监测被测电池，以防任何电池发热引发火灾。（图10）

电动汽车

电动汽车由电池、电机和逆变器这3个主要部件组成。汽车组装完毕后，可在使用过程中利用红外技术监测其温度变化。（图11）

考虑到最近在印度电动汽车起火次数攀升，这项应用极具价值，因为它不仅为电池制造过程提供了解决方案，还能监测机器的其他部件。（图12，图13）

结论

尽管可用于电动汽车生产线的预防方法种类繁多，但该解决方案可为这一特殊行业提供预防性维护、消防和安全措施。红外成像技术可监测目标物体并检查故障，适用于生产过程中的各个环节。

这项技术不仅有助于识别缺陷和故障，也对参与生产的工人及使用电动汽车成品的客户的安全至关重要，因为若使用或维护不当，电动汽车极易起火。采用这项技术可在机器起火前迅速捕捉微小温差并识别升温不均现象，从而提高安全性。

人工检查可能遗漏故障系统，而使用红外热像仪就几乎不会，因为在红外范围内工作的红外热像仪的工作原理是将热信号转换为可视信号。

该行业的供需同步增长，因此需要更可靠的测试和数据以预防风险、保障安全，而红外热像仪已被证明是能够降低电动汽车故障率的理想选择。