一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法技术

本发明专利技术提出一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法，属于量热仪技术领域。该方法将量热仪量热过程的延迟环节划分为量热仪量热延迟环节和被测物体导热延迟环节；将被测物体放入量热仪，量热仪工作产生连续仪器测量信号并进行采样；确定量热仪量热延迟环节传递函数，计算得到被测物体向量热仪测量腔体散热功率的采样序列；若被测物体导热特征时间小于导热特征时间阈值，则该采样序列即为被测物体真实产热值采样序列；否则，确定被测物体导热延迟环节传递函数，计算得到被测物体真实产热值采样序列，量热仪量热过程延迟环节修正完毕。本发明专利技术可修正量热仪量热过程延迟环节的影响以获取被测物体的真实产热值，结果准确，操作简便快捷。

【技术实现步骤摘要】
一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法
：本专利技术涉及量热仪
，特别涉及一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法。
技术介绍
：被测物体的产热值是反映该物体热特性的重要参数，所测量产热值的准确性是相关研究的关键。例如已经得到广泛应用的锂离子电池，其寿命、性能、安全均与其热特性紧密相关，准确测量电池产热量成为解决锂离子电池热问题的基础。量热仪是一种用于测量被测物体产热量的仪器。常规的量热仪，以THT(ThermalHazardTechnology)公司生产的等温量热仪为例，该仪器主要由热绝缘层、测量腔体、功率元件、辅助元件和热敏电阻组成。工作时，被测物体放置于测量腔体中；测量腔体外包裹着热绝缘层，热绝缘层隔绝了测量腔体向周围环境的能量传递，使测量腔体成为封闭系统而便于控制温度；测量腔体有两种结构，一种是接触式，即测量腔体的腔壁直接接触被测物体；另一种是非接触式，即利用流动工质在测量腔体内循环流动；功率元件的作用是向测量腔体提供可控的控制功率Pcontrol，辅助元件的作用是向测量腔体提供恒定的基线功率Pbaseline(腔体体积较大的等温量热仪采用水浴仪作为辅助元件，腔体体积较小的等温量热仪不采用额外的辅助元件，而是利用恒定的室温环境提供基线功率)；热敏电阻的作用是监控测量腔体(或腔体内流动工质)温度T。量热仪测量被测物体产热的过程是：向测量腔体通入恒定的基线功率Pbaseline，将被测物体装载入测量腔体后，设定测量过程中所需的恒定温度T0，量热仪通过调节控制功率Pcontrol，使测量腔体(或腔体内流动工质)温度T逐渐向设定的恒定温度T0收敛，最终达到热平衡时T＝T0，且Pcontrol＝Pbaseline，从而达到稳定状态；在上述稳定状态下，控制被测物体开始产热，通过导热被测物体向测量腔体的散热功率为N；该仪器的控制算法将调节Pcontrol以补偿散热功率N对由测量腔体和被测物体所组成系统的扰动，以维持测量腔体(或腔体内流动工质)温度T等于设定温度T0。此时量热仪记录下调节后的Pcontrol相对于被测物体产热前系统稳定时的值(即基线功率Pbaseline)的变化量Pc＝Pcontrol-Pbaseline，作为该仪器对被测物体真实产热值Qv的测量信号。然而，不同于响应迅速的电学测量，在热学测量中由于量热仪器测量原理、测温部件热容、被测物体导热系数的影响，量热仪的量热过程和被测物体的导热过程存在延迟环节，导致量热仪获取的测量信号Pc与被测物体真实产热值Qv之间存在显著差异，降低量热仪获取测量结果的准确度。目前针对量热仪延迟现象问题，多笼统采用一阶惯性环节，或通过实验标定延迟时间，或凭借经验确定延迟时间，以补偿延迟环节带来的影响的方法。补偿法虽然能够在一定程度上减小延迟环节的影响，但还存在利用一阶环节描述量热延迟环节的合理性问题和凭借经验确定延迟时间的盲目性问题，不能完全消去延迟环节的影响。
技术实现思路
：本专利技术的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法。本专利技术可修正量热仪量热过程延迟环节的影响以获取被测物体的真实产热值，结果准确，操作简便快捷，对提升量热仪性能有着重要意义。本专利技术提出一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)任意选取一台量热仪和被测物体，将量热仪量热过程的延迟环节划分为量热仪量热延迟环节和被测物体导热延迟环节2)获取被测物体的离散仪器测量信号Pc(k)＝Pc(tk)，其中k为非负整数，Δt为采样间隔，且tk＝kΔt；3)获取量热仪量热延迟环节传递函数G(s)；4)利用量热仪量热延迟环节传递函数G(s)，计算被测物体向量热仪测量腔体散热功率的采样序列N(k)；5)对被测物体的导热特征时间进行判定：若被测物体的导热特征时间τ小于设定的导热特征时间阈值，则忽略被测物体导热延迟环节，本次测量的被测物体真实产热值采样序列Qv(k)＝N(k)，量热仪量热过程延迟环节修正完毕；否则继续修正被测物体导热延迟环节，进入步骤6)；6)获取被测物体导热延迟环节传递函数H(s)；7)利用被测物体导热延迟环节传递函数H(s)，计算被测物体真实产热值采样序列Qv(k)，量热仪量热过程延迟环节修正完毕。本专利技术的特点及有益效果在于：1)本专利技术明确了量热仪量热过程包含的不同延迟环节，并给出各种延迟环节修正的执行条件，克服以往盲目采用一阶惯性环节描述量热延迟现象和凭借经验确定特征时间的不足。2)本专利技术提出了多种延迟环节的传递函数确定方法，可根据实际情况选用。针对量热仪延迟环节，可通过量热物理过程的微分方程(厂家直接提供)或结合仪器结构和量热原理得到传递函数表达式；针对导热延迟环节可通过建立测试样品的等效热路，或基于简化假设条件化简导热微分方程推导，或利用导热微分方程的分析解得到传递函数表达式；可利用逐个标定传递函数表达式中各参数或系统辨识的方法确定传递函数表达式中的具体参数值。3)本专利技术能够修正量热仪给出的原始数据中延迟环节的影响，以得到被测物体真实的产热率；本专利技术可用于量热仪数据后处理中，对于提升量热仪性能有重要意义。附图说明图1为本专利技术方法的整体流程框图。图2为本专利技术实施例1的等温量热仪的量热延迟环节示意图。图3为本专利技术实施例1的等温量热仪的量热延迟环节传递函数示意图。图4为本专利技术实施例1的等温量热仪的量热传递函数简化框图。图5为本专利技术实施例1的等温量热仪的热功率阶跃响应修正结果示意图。图6本专利技术实施例2的18650电池在25℃下0.5C、1C、2C倍率放电的原始量热数据示意图。图7为本专利技术实施例2的18650电池在25℃下0.5C、1C、2C倍率放电时向量热仪的散热率示意图。图8为本实施例2的18650电池在25℃下0.5C、1C、2C倍率放电的真实产热率示意图。具体实施方式：本专利技术提出一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。本专利技术提出一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法，整体流程如图1所示，包括以下步骤：1)任意选取一台量热仪和被测物体，将量热仪量热过程的延迟环节划分为量热仪量热延迟环节和被测物体导热延迟环节。其中，量热仪可为任意普通型号。本专利技术中，定义从被测物体内部产热开始到被测物体表面温度变化的环节为被测物体导热延迟环节，定义从被测物体表面温度变化到产生仪器测量信号的环节为量热仪量热延迟环节。2)将步骤1)选取的被测物体放入量热仪中，量热仪开始工作并产生连续的仪器测量信号Pc＝Pc(t)，产生连续的仪器测量信号Pc＝Pc(t)，其中t为时域变量。量热仪对该信号进行采样，采样间隔为Δt(需满足采样定理)，获取离散的仪器测量信号序列为Pc(k)＝Pc(tk)，其中k为非负整数，且tk＝kΔt。3)获取量热仪量热延迟环节传递函数G(s)；具体步骤如下：3-1)获得仪器测量信号Pc的拉普拉斯变换Pc(s)与被测物体向测量腔体(或腔体内流动工质)散热功率N的拉普拉斯变换N(s)之间的传递函数G(s)的表达式，其中s为复数域的变量。本专利技术是通过量热物理过程的微分方程(厂家直接提供)或基于量热原理和仪器结构推导出传递函数系统框图。以本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)任意选取一台量热仪和被测物体，将量热仪量热过程的延迟环节划分为量热仪量热延迟环节和被测物体导热延迟环节2)获取被测物体的离散仪器测量信号Pc(k)＝Pc(tk)，其中k为非负整数，Δt为采样间隔，且tk＝kΔt；3)获取量热仪量热延迟环节传递函数G(s)；4)利用量热仪量热延迟环节传递函数G(s)，计算被测物体向量热仪测量腔体散热功率的采样序列N(k)；5)对被测物体的导热特征时间进行判定：若被测物体的导热特征时间τ小于设定的导热特征时间阈值，则忽略被测物体导热延迟环节，本次测量的被测物体真实产热值采样序列Qv(k)＝N(k)，量热仪量热过程延迟环节修正完毕；否则继续修正被测物体导热延迟环节，进入步骤6)；6)获取被测物体导热延迟环节传递函数H(s)；7)利用被测物体导热延迟环节传递函数H(s)，计算被测物体真实产热值采样序列Qv(k)，量热仪量热过程延迟环节修正完毕。

【技术特征摘要】
1.一种利用传递函数修正量热仪量热过程延迟环节的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)任意选取一台量热仪和被测物体，将量热仪量热过程的延迟环节划分为量热仪量热延迟环节和被测物体导热延迟环节2)获取被测物体的离散仪器测量信号Pc(k)＝Pc(tk)，其中k为非负整数，Δt为采样间隔，且tk＝kΔt；3)获取量热仪量热延迟环节传递函数G(s)；4)利用量热仪量热延迟环节传递函数G(s)，计算被测物体向量热仪测量腔体散热功率的采样序列N(k)；5)对被测物体的导热特征时间进行判定：若被测物体的导热特征时间τ小于设定的导热特征时间阈值，则忽略被测物体导热延迟环节，本次测量的被测物体真实产热值采样序列Qv(k)＝N(k)，量热仪量热过程延迟环节修正完毕；否则继续修正被测物体导热延迟环节，进入步骤6)；6)获取被测物体导热延迟环节传递函数H(s)；7)利用被测物体导热延迟环节传递函数H(s)，计算被测物体真实产热值采样序列Qv(k)，量热仪量热过程延迟环节修正完毕。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中将量热仪量热过程的延迟环节划分为量热仪量热延迟环节和被测物体导热延迟环节，划分方法是：分析量热过程中的热流路径，定义从被测物体内部产热开始到被测物体表面温度变化的环节为被测物体导热延迟环节，定义从被测物体表面温度变化到产生仪器测量信号的环节为量热仪量热延迟环节。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中获取量热仪量热延迟环节传递函数G(s)，G(s)表达式如下：其中，s为复数域的变量，Pc(s)为仪器测量信号Pc的拉普拉斯变换，N(s)为被测物体向量热仪测量腔体散热功率N的拉普拉斯变换；ai、bj为G(s)表达式中的系数；n为G(s)表达式中分母多项式的阶数，m为G(s)表达式中分子多项式的阶数。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述G(s)表达式各项系数具体数值，获取方法为实验逐一标定各项系数的方法或系统辨识的方法。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中计算被测物体向量热仪测量腔体散热功率的采样序列N(k)，采用以下三种方法中的任意一种：方法一：根据量热仪量热过程延迟环节传递函数G(s)，有G(s)是真分式，取倒数后为假分式；假分式化为整式与真分式之和，即：其中Ag为常系数，上式共有n-m+2项，每一项代表一个环节，相加代表这些环节是并联的；利用Z变换，将从s域变换到z域以用于离散信号的处理，即将Pc(k)从时域变换到z域，即Pc(z)＝Z(Pc(k))，根据计算得到被测物体向测...

【专利技术属性】
技术研发人员：张剑波，李哲，滕冠兴，葛昊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11