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中低分辨率红外热成像技术在锂电新能源行业的应用

来源:http://www.kingpolims.com/gsxw/110.html │ 发表时间:2020-03-25 

  疫情之下,红外热成像技术在各类体温监测的应用中大显身手,原来身价昂贵的红外技术在高铁、机场等场所遇到了“不问价”的土豪买家。笔者一个供应红外热成像器件的朋友一年前囤积了数千只中端器件,在疫情之前打算再用两三年时间零售完毕,结果戏剧性被深圳的老板一次性加价扫空。而测温门应用的低成本近距离红外器件,目前是全球缺货,订货周期达到26周(按欧洲疫情发展态势,26周能否如期交付真的很悬)。


1. 红外热成像,香是真香,贵也是真贵!

相信锂电新能源行业的从业者,看见红外热成像技术的种种应用,都会觉得“真香”!因为在锂电池的生产、测试、仓储等各个环节,都能应用热成像技术解决目前存在的诸多问题。但看见热成像设备及开发后的产品价格,在成本压力越来越大的当下,只能望而却步。一个机场高铁站应用的高清红外体温筛查系统,客户买单价格超过10万元,普通清晰度的热成像机芯,价格也是数千元起,做成热成像仪价格还不算太高,做二次开发应用的话就无比昂贵了。如果有下游客户明确提出需要在测试过程中使用,厂家最多采购一两只,需要时轮流使用,无法在所有需要的场合固定长期监测。

  

2. 如何节约成本选择性价比高的红外热成像器件?

红外热成像应用,成本最高的是前端的传感器和模组。通常来说,传感器像素(分辨率)越高,价格越贵。高像素的红外热成像和低像素的相比,相同距离下一个像素对应的面积要更小,测温的结果和热成像的结果分辨率变更高。

如下图所示,监测到宠物狗身上和头上的两个像素,显示了狗身体与背景的填充系数。对于占据像素面积 100%的狗身体部分,测温结果是狗的身体部位的温度,但对于占据像素面积50%的狗头部位的像素,测量温度的结果是狗的头部温度与背景温度的叠加。例如:如果狗的头部温度为30°C,背景温度为 20°C,相机将检测到25°C

                                                                          

 由此可见,在一定的情况下,低像素红外热成像器件可能无法可靠的检测到物体的小特征,或者监测到远距离的小物体(距离越远,一个像素对应面积越大)。这当然适用于所有的红外相机。同样,物体的移动也会对读数产生微小的改变,如图中所示: 位置 1的热源,有一个完整的像素读出的是热源的温度,而热源若位于位置2,则每个像素都最多只有30%的热源,需要与70%的背景温度进行平均,即低分辨率热成像对于移动的物体测温也会有结果的差异。

                                                                   

了解完这些差异后,我们就可以在某些应用领域中,选择适当分辨率的红外器件,从而在保证应用效果的同时,降低应用成本。以下为不同距离和面部细节下低分辨率红外热成像的成像结果,可以看到尽管细节已经无法分辨,人体轮廓和温度分布差异是可以清晰呈现的。

                                     

 

    3. 充放电试验过程中温升测试


由于锂电池充放电过程中发热的数据非常重要,很多测试要求监测电池表面的温度,通常是应用接触式的多个热电偶粘贴到电池表面进行。但是每个热电偶仅仅能得到单个测温点的数据,无法将过程中的温度分布进行完整记录,遍布的测温点也影响了被测物体的实际热传导、热辐射特性。

应用红外热成像进行测温,可以监测得到全过程的电池各个部位的温升情况,自动寻找温度最高位置,给出最高温度的曲线和整个过程中电池表面的温度分布,且达到±1℃的温度精度,相比于多路测温仪,测试数据和结果要直观得多,非接触测温结果也更符合实际。

如下图所示,由于锂电池测试时固定,且形状细节较少(多为方形),故可以应用较低的红外分辨率器件进行温度监测,以获得较高的性价比。推荐中高端电池充放电通道进行大电流充放电时配置。如图所示。

                                               

 

4. 封闭空间内的安全监测与消防联动

在锂电池的一些安全或者性能测试中,样品通常需要放置到封闭的舱内进行测试,如恒温箱或者防爆测试柜。这些测试需要监测样品试验过程中的发热,甚至需要联动箱体装备的自动灭火装置如喷淋、二氧化碳灭火器、七氟丙烷灭火器等。

过去触发这类灭火装置,使用的通常是烟雾传感器,或者是在舱内布设很多的温度传感器。由于温箱内部的循环风和温度闭环调节功能,传感单元经常在电池起火后数分钟才能够进行动作。

在这种近距离、无需热成像细节的场合,应用低分辨率红外热成像器件,将能够实现更好的温度报警与消防联动,且应用成本较低,消防动作可靠。在一些喷射气体、液体灭火的应用中,红外热成像模块甚至可以通过快速监测物体表面温度来控制昂贵的消防耗材的喷射剂量,节省更多的联动成本。

下图为达温技术开发的舱内小型红外测温模块,模块可以由用户灵活插拔,即插即用。模块能够在-40~125℃的环境下可靠监测物体温度,并在发现温度异常后迅速发出联动信号。由于采用了低成本器件,模块价格低廉,适合各型高低温箱体选装。

                                                                       

 

5. 室内、仓库的早期火灾监测

对于储存大量锂电池的库房、车间等室内场合,应用红外热成像技术能弥补视频监控无法自动发现早期火灾的不足,能够迅速发现起火位置并进行报警。

由于这类场景较多,面积或者区域较大,要实现全面覆盖,将是一笔不小的花销。应用时可以根据场景的大小,选用合适分辨率的红外器件,显著降低应用成本。

如下图的火苗热成像图所示,在进行仓库消防监测时,用户其实可以不需要对于热成像的分辨效果过多关注,只需要产品能在场景中有效的发现起火事件。在这些场景中,恰当的分辨率是高性价比的代名词。

                                                                             

在这类场景下,发现过热并不意味着完成使命,对于初期火灾,也不能莽撞的联动喷淋等设置造成不必要的货物损失。一套高度智慧的物联网系统,能够帮助用户在热成像模块发现过热或者起火后,迅速告知现场、值班室或消防控制室以及拥有手机联网的相关人员。应用此类器件解决锂电池储存安全问题,需要一个系统的解决方案,且在一套系统中,兼容不同分辨率的红外传感设备。

针对部分行业车间库房火灾频发问题,深圳达温技术创新开发出全新的库房红外监测物联网系统。该系统能够迅速识别出一定面积场景中的过热物体和早期火苗,并进行现场和远程同步报警,运用先进的物联网云端平台,用户还可以在手机端迅速接收到报警及报警位置的提示,实现“炬一反三”的报警信息全面告知的“智慧消防”效果。该系统解决方案在当前消防报警设置止灾减损程度较低,而高端特种火灾报警产品及智慧消防系统价格昂贵难以大量普及的情况下,具备显著应用优势。

                                              

该物联网系统能够有效解决锂电池车间、仓库和实验室,古建筑文物保护单位,木材家具包装材料工厂等重点火灾防控位置的早期火灾的发现和预警难题,防范初发火苗演变成为大事故。

  

6. 化成分容柜上大量样品的温度预警

以上应用基于的是中低分辨率的红外热成像器件,适中的像素有益于用户成本的控制。对于需要防患未燃的过热预警应用,则需要适度提升红外分辨率,以获得更加的覆盖面积和物体分辨率,以及测温精度。

在放置大量锂电池的电池充放电柜上,如下图案例,可能充放电通道自身配备了温度传感,能够在充放电过程中实现温度异常时的中断。但由于需要每次更换样品时操作粘贴和拆卸,带来了效率下降与不便。实际应用时很多充放电柜并不配置温度传感或者配置了但是操作人员并不粘贴到样品上。

                                                     

针对这类场景,为了确保电池不因过热造成失控,需要使用的红外热成像器件像素需要略高,但是并不需要器件固定盯住一处,可以通过轮询的方式来降低器件使用量,实现成本与效果的平衡。如下图所示分辨率的红外器件,即可实现对过热电池的温度预警,且每处红外应用成本最优。

                                                             

 

7. 核心知识产权

         针对新能源领域各类场景开发红外测温产品、安全监测产品与解决方案。目前已经自主开发成功多款进口中低分辨率的红外热成像器件及应用,向用户提供了红外热成像模组、产品及完整的系统应用,为新能源行业提供更加高性价比的解决方案。公司自主知识产权的“提升红外测温对异常发热检出能力的方法”,显著降低了温度监测所需的红外像素要求,使得低成本器件获得了高端器件的应用效果,已经申报国家发明专利。我公司开发的“多发一收物联网中接收端的同步报警及复位方法”,使得智慧消防物联网系统的应用大幅简化,系统部署开通快捷,效应突出,已经申报国家发明专利。

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