用于測試儲能系統和電力電子設備的熱量計、熱量計制造方法及使用方法

用于測試儲能系統和電力電子設備的熱量計、熱量計制造方法及使用方法
【專利摘要】提供了大體積熱量計（100）和小容器或單元熱量計（700）及其制造方法和使用方法。
【專利說明】用于測試儲能系統和電力電子設備的熱量計、熱量計制造
方法及使用方法
[0001]
[0002]契約由來
[0003]根據美國政府能源部與國家可再生能源實驗室的管理者與經營者-可持續能源聯盟LLC之間的DE-AC36-08G028308號合同，美國政府對本發明享有權利。
[0004]相關申請的交叉參考
[0005]本申請要求2011年3月11日提出的名稱為“大體積電池熱量計(LARGE VOLUMEBATTERY CAL0RMETER)”的美國臨時申請N0.61/451884和2011年9月9日提出的名稱為“用于測試儲能系統和電力電子設備的熱量計(CALORMETERS FOR TESTING ENERGYSTORAGE SYSTEMS AND POWER ELECTRONICS)”的美國臨時申請 N0.61/532869 的優先權。每個申請的內容整體上通過參考在此并入。
【背景技術】
[0006]消耗電能的裝置在當今社會中普遍存在。很多這些裝置依賴于存儲在電池和例如電容器的其它儲能裝置中的電能來操作，而其它裝置依賴于不同類型的電能，諸如壁裝電源插座。對于電池供電的裝置，典型地當裝置不使用時對電池充電，在裝置使用時至少部分放電，從而消耗來自電池的電能。隨著電子裝置的重要性增加，裝置制造商正在爭取制造更有效運行(例如，消耗更少電力的裝置和在單次充電后持續更長且產生更少廢熱的電池)且具有更長可用壽命的裝置和電池。為了提高電子裝置和電池的性能，理解裝置和電池的操作性能(包括熱操作特性)是有用的，以便例如設計熱管理系統和/或重新設計裝置或電池以便提聞性能。
[0007]熱量計以前已用于測量小電池(例如，助聽器電池)的熱操作特性，熱操作特性尤其包括當電池被充電和/或放電時產生的熱量。然而，這些熱量計典型地尺寸很小，且因此在用于確定較大電池的熱操作特性或用于測量其它類型的電子裝置的熱操作特性方面的使用性有限。而且，增加這些相對小熱量計的尺寸以便測試更大電池和其它種類電子裝置的嘗試已有限地成功。
[0008]利用傳統熱量計特別難以測試的一些電池是用于混合動力電動車輛(HEV)、插入式混合動力電動車輛(PffiV)、全電動電輛(EV)和其它類型的電動車輛的電池。這些電池典型地很大、很重，且具有很大的額定電流。隨著HEV、PHEV、EV和其它類型的電動車輛占全球車輛市場的份額增加，汽車制造商正在開發更先進的車輛和能夠有效操作和能夠忍耐大量充電和放電循環的電池。該變化由多個匯聚力量推進，諸如零排放車輛的國家要求、更高企業平均燃油經濟標準、溫室氣體規定、油價爆漲的威脅、新的智能電網和車輛至電網技術、以及在電池技術上的改進。下一代電驅動的汽車和輕型卡車的目標是在僅電力驅動時行進更遠，從而對車輛電池組有更大功率需求。為了符合這些需求，汽車制造商正在用先進的電池技術構建更大的電池組，且使電池在更多的充電狀態之間循環。然而，電池典型地在它們充電和放電時產生廢熱。該熱量必需通過熱量控制和/或管理被引導離開電池，以便防止由于曝露到升高溫度產生對電池壽命的負面影響。因而這些電池組的熱管理對于電池組的壽命成本和車輛的有效操作很重要。
[0009]更通常地說，了解和控制多種電子裝置和電池的熱操作特性在評估和/或提高裝置和電池的性能和預期壽命上很重要。例如，如果電池未適當地冷卻或如果太頻繁或太快速地充放電循環，電池的性能(例如瞬間電容、可獲得的總電荷等)、充電循環和/或使用壽命可顯著下降。對于電動車輛而言，電池性能降低可導致汽油里程數減少，且可導致電池的過早破壞。作為另一示例，對于鋰離子電池組，過熱可導致電池組起火或爆炸。作為又另一示例，一些電池在操作期間可經受相變。這些相變可引起電池的構成元件的擴張和/或收縮，且可導致電池破裂或其它損壞，這將減少電池的壽命，熱量計能夠識別電池在這些相變發生時的操作點，且控制系統可被設計成避免這些操作點且延長電池的壽命。
[0010]然而，如果已知電子裝置或電池的熱操作特性，例如在高電流放電期間產生的熱量，制造商可能夠設計適當的熱管理系統以幫助減輕可由例如裝置或電池過熱引起的性能損失和其它問題。制造商可還能夠對電子裝置和/或電池進行設計改進。
[0011]相關領域的前述示例和與之相關的局限性意圖是說明性的而非排它的。對于本領域技術人員而言，通過閱讀說明書和研究附圖，現有技術的其它限制將變得明顯。

【發明內容】

[0012]結合作為說明性的而不限制范圍的系統、工具和方法描述和說明以下實施例和其方面。在不同實施例中，減少或消除上述問題的一個或更多，而其它實施例針對其它改進。
[0013]在各個方面中，本發明基于熱量計及其制造方法和使用方法。本文描述的熱量計通過測量當電池被充電和放電時或當裝置被操作時產生的熱量、通過測量熱量是否為電化學產生和/或電阻產生的等而能夠幫助制造商了解電子裝置或電池的熱操作特性。而且，本文描述的熱量計能夠在多個不同測試溫度下操作以便在多個不同溫度下測量電子裝置和電池的熱操作特性。獲知電子裝置和電池的熱操作特性能夠幫助制造商設計和實現熱管理系統以便對電子裝置和/或電池提供增強的性能、更長壽命和整體改進。熱操作特性還可幫助制造商改進電子裝置和/或電池的設計和構造。
[0014]在各個方面中，本發明基于放置在本文提供的熱量計的測試室內部的電池或電子裝置的隔熱。本發明提供的熱量計最小化——且在很多情況下消除——來自例如熱量計周圍外界環境的外源的熱干擾。
[0015]在一些方面中，本發明提供大體積熱量計，包括:測試室，所述測試室包括嵌套在外箱內部的內箱和與所述內箱的外側壁接觸的多個熱流傳感器；所述內箱的底板和所述外箱的底板之間的至少一個隔熱裝置；與所述內箱的內壁接觸的至少一個母線；和蓋；其中所述測試室被構造成在熱量計的操作期間完全浸入等溫浴槽中。
[0016]在一些實施例中，所述內箱的體積是從約4升至約100升。
[0017]在一些實施例中，所述內箱的體積是96升。
[0018]在一些實施例中，所述等溫浴槽包括等溫浴容器，所述等溫浴容器包括大于所述測試室的浴腔、設置在所述浴腔中的等溫流體和蓋。
[0019]在一些實施例中，所述浴腔的體積是從約100加侖至約200加侖。
[0020]在一些實施例中，所述浴腔的體積是約160加侖。[0021]在一些實施例中，所述至少一個隔熱裝置提供所述內箱的底板與所述外箱的底板的隔熱。
[0022]在一些實施例中，所述至少一個隔熱裝置包括柱狀體，該柱狀體包括環繞交替布置的陶瓷球和圓筒的套。
[0023]在一些實施例中，所述至少一個母線包括連接到母線的線纜，其中線纜包括設置在所述內箱內部中的第一端和設置在所述熱量計外部的第二端。
[0024]在一些實施例中，所述線纜在連接到所述母線之前經過等溫浴槽。
[0025]在一些實施例中，所述蓋包括通氣管、防爆片和至少一個密封機構。
[0026]在一些實施例中，所述內箱的每一個外側壁經由一對楔塊可傳熱地連接到所述外箱的對應內側壁。
[0027]在一些實施例中，所述楔塊包括導熱材料且截面是三角形。
[0028]在一些實施例中，所述等溫浴槽包括被構造成控制等溫浴槽中的等溫流體的溫度的至少一個加熱元件和至少一個冷卻元件。
[0029]在一些實施例中，所述等溫浴槽還包括至少一個混合元件，所述混合元件包括馬達、細長軸和至少一個葉輪。
[0030]在一些方面中，本發明提供一種熱量計，包括:測試室，所述測試室包括外箱，所述外箱包括與外箱的底部接觸的多個熱流傳感器；分別與熱流傳感器中的一些傳感器的頂部接觸的第一導熱板、第二導熱板和第三導熱板；與所述外箱的內壁接觸的至少一個內壁；與所述外箱的內底板接觸的至少一個母線；和蓋，其中測試室被構造成在熱量計操作期間完全浸入等溫浴槽中。
[0031 ] 在一些實施例中，所述第一導熱板包括多個孔。
[0032]在一些實施例中，所述第一導熱板被陽極化處理。
[0033]在一些實施例中，所述等溫浴槽包括:容器，所述容器包括比所述測試室大的內浴腔、設置在所述內浴腔中的等溫流體、外箱和蓋，其中所述容器被嵌套在所述外箱內部。
[0034]在一些實施例中，隔熱體存在于所述容器和所述外箱之間。
[0035]在一些實施例中，所述第二導熱板和所述第三導熱板經由至少一個隔熱裝置分別與所述第一導熱板隔熱。
[0036]在一些實施例中，所述至少一個隔熱裝置包括陶瓷球。
[0037]在一些實施例中，所述至少一個母線包括連接到所述母線的線纜，其中所述線纜包括設置在所述測試室內部的第一端和設置在所述熱量計外部的第二端。
[0038]在一些實施例中，所述線纜在連接到所述母線之前經過所述等溫浴槽。
[0039]在一些實施例中，所述蓋包括通氣管、防爆片和至少一個密封機構。
[0040]除了上述方面和實施例，通過參考附圖和通過研究以下描述，其它方面和實施例將變得顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0041]本領域技術人員將理解這里描述的附圖僅是用于說明性目的。附圖不打算限制本發明的范圍。
[0042]圖1示出通過本發明提供的熱量計的一個實施例的透視圖。[0043]圖2示出沿圖1中的線2-2看時圖1中示出的熱量計的剖面圖。
[0044]圖3示出用于圖1的熱量計的測試室的內箱的透視圖。
[0045]圖4示出圖3示出的內箱在內部有電池的狀態下的透視圖。
[0046]圖5示出用于在圖1中示出的熱量計中使用的測試室的外箱和蓋。
[0047]圖6示出圖2示出的剖面圖的一部分的放大圖。
[0048]圖7示出通過本發明提供的熱量計的第二實施例的透視圖。
[0049]圖8示出圖7中示出的熱量計的剖面圖。
[0050]圖9示出用于圖7中示出的熱量計的測試室的外箱的透視圖。
[0051]圖10示出用于在圖7中示出的熱量計中使用的測試室的外箱和蓋的透視圖。
[0052]圖11示出圖8中示出的剖面圖的一部分的放大圖。
【具體實施方式】
[0053]現在對熱量計的某些實施例進行詳細參考。公開的實施例不打算作為權利要求的限制。相反，權利要求打算覆蓋所有替代物、變型和等價物。
[0054]在各方面中，本發明描述了熱量計和用于制造和使用它的方法。這里描述的熱量計通過測量當電池充電或放電時或當裝置被操作時產生的熱量、通過測量熱量是電化學產生還是電阻產生等，可幫助制造商了解電子裝置或電池的熱操作特性。而且本文描述的熱量計可在寬范圍的測試溫度和條件下操作，且因而能夠在多個不同溫度下測量電子裝置和電池的熱操作特性。獲知電子裝置和電池的熱操作特性可幫助制造商設計和實現熱管理系統以便對電子裝置和/或電池提供增強的性能、更長壽命和整體改進。熱操作特性可還幫助制造商改進電子裝置和/或電池的設計和構造。
[0055]在各個方面中，本發明基于放置在本文提供的熱量計的測試室內部的電池或電子裝置的隔熱。在該方面，本發明提供的熱量計的測試室提供與外部環境隔熱的測試環境。當電池和/或電子裝置被設置在測試室內部時，以最小的來自測試室外部環境的熱影響的情況下(在很多情況下沒有)進行熱操作條件的測試。
[0056]在各個方面中，本發明提供的熱量計被構造成使得放置在測試室內部的電池或裝置產生的熱量在測試之前不損失或耗散。因而熱量計的熱通道被設計成將電池或電子裝置產生的熱量以最小或沒有耗散的方式直接引導到熱流計。
[0057]在各個方面中，本文公開的熱量計包括浸入等溫浴槽中的測試室。在某些實施例中，諸如電子裝置或電池的測試樣本被放置在測試室中，然后測試室被密封且浸入等溫浴槽內包含的等溫流體中。一個或更多母線可被連接到熱量計且可幫助將熱量從測試樣本的連接端子傳遞至熱量計，從而來自連接端子的熱量由熱量計測量。使測試室內部與外部計算機等和外部電源等連接的電力和/或數據線纜可經過等溫浴槽的流體，以防止環境空氣溫度變化經由線纜引導到測試室內部。在某些實施例中，一個或更多隔熱裝置可被用于防止熱量傳至熱量計的某些部件。
[0058]在各個方面中，通過本發明提供的熱量計的尺寸和結構可變化。熱量計的尺寸可取決于尤其是將在熱量計中測試的電池或其它電子裝置的尺寸和重量。例如，用于混合動力電動車的電池由于其相對大尺寸可能需要相當大的熱量計，熱量計將需要能夠支撐電池的相對重的重量。然而較小的電池可不需要大熱量計，且可從較小熱量計受益(因為，例如制造和/或操作較小熱量計可更有成本效率，較小的熱量計可提供更精確的熱測量等)。為了便于討論，本發明描述了熱量計的兩個不同實施例100 (圖1),700 (圖7)，其中一個是大體積熱量計100，一個是小體積熱量計700。然而，對于大、小熱量計100、700 二者所描述的概念和原理適用于任何尺寸的熱量計，因而本發明中所稱的“大”和“小”僅是說明性的，而不是限制性的。
[0059]大熱量計
[0060]圖1至6公開了通過本發明提供的大體積熱量計的實施例。參考圖1至6，在一些實施例中，熱量計100可以具有足夠大的尺寸以容納相對大和/或相對重的測試樣本101，諸如可用于電動車輛中的電池組101。熱量計100尤其可被用于電池組測試樣本101在充電和放電期間產生的熱量的精確測量。這種測量可輔助確定電池組測試樣本101的預期壽命和設計用于電池組測試樣本101的熱管理系統。
[0061]熱量計100可另外具有與先進車輛相關的其它用途。在一些實施例中，熱量計100可被用于測試用于這種車輛的電力電子裝置，包括功率轉換器、逆變器和其它這種裝置；并且在一些實施例中，其可被用于測試超電容器，該超電容器作為減少電池組的電負載的方式的重要性日益增加。在一些實施例中，熱量計100可還用于確定電池組101的效率且幫助識別該能量存儲系統中的任何缺陷。在一些實施例中，熱量計100可被用于分離地確定由電池產生的熱量和由電池單元之間的相互連接部產生的熱量。在各個方面中，使用熱量計100進行測試可解決電池組101的安全問題。另外，在某些實施例中，熱量計100可還用于測量其它類型的電池和其它類型的電子裝置的熱操作特性，包括例如用于內燃機車輛(即汽車、卡車等)、消費電子產品(即電視、浪涌電壓保護器、移動電話等)和其它物體的電池和由于其它物理或化學屬性而自身產生熱量的非電子裝置。
[0062]測試室
[0063]參考圖2至圖5，熱量計100可包括測試室102。在一些實施例中，測試室102具有“箱內還有箱”的構造:內箱104保持測試樣本101且被封裝在外箱103內。
[0064]在某些實施例中，內箱104被放置在略大于內箱104的外箱103內部。在各個方面中，測試室102還包括在內部裝入測試樣本101之后能夠用一個或更多密封機構130密封的可拆除蓋120。密封機構130可包括0形圈、鉸接夾、柱塞型鉸接夾、彈簧加載夾、其它密封和緊固部件以及其組合。在一些實施例中，密封機構130包括夾。夾可被彈簧加載，且不管等溫浴槽的溫度如何均可維持蓋120和內、外箱104、103之間的密封一彈簧提供均勻一致的密封力，且因而補償密封件和單元的不同熱膨脹和收縮。在圖1中示出的實施例中，可拆除蓋120利用多個彈簧加載夾作為密封機構130來密封測試室102的內箱104和外箱103。
[0065]盡管圖1中示出的測試室102包括嵌套的矩形鋁箱103、104，測試室102可通常是適于特定測試樣本101的任何形狀。包括內箱104和外箱103的測試室102可由結構剛硬和導熱的任何金屬或其它材料構造。
[0066]內箱
[0067]制造內箱104的材料可以多種多樣。在某些實施例中，內箱104由導熱材料制成。在一些實施例中，導熱材料選自鋁、鐵、鎳、銅、鋅、錫、鎢、鉛、不銹鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金、黃銅和其組合。在一些實施例中，內箱104由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的結構剛硬和導熱的材料制造。在一些實施例中，內箱104是鋁。
[0068]內箱104的體積可以多種多樣。在一些實施例中，內箱的體積可以是從約0.5升至約200升。在一些實施例中，內箱104的體積可以是從約4升至約100升。在一些實施例中，內箱104的體積選自約0.5升、約I升、約1.5升、約2升、約2.5升、約3升、約3.5升、約4升、約5升、約10升、約15升、約20升、約25升、約30升、約35升、約40升、約45升、約50升、約55升、約60升、約65升、約70升、約75升、約80升、約85升、約90升、約95升、約100升、約110升、約120升、約130升、約140升、約150升、約160升、約170升、約180升、約190升和約200升。在一些實施例中，內箱104的體積是約95升。在一些實施例中，內箱的體積是96升。
[0069]內箱104的形狀可以多種多樣。在一些實施例中，內箱的形狀選自矩形和三角形。在一些實施例中，內箱104是具有約96升體積的矩形鋁箱。由本發明提供的包括該體積的內箱104的熱量計能夠測試尺寸高達23.6英寸X 15.7英寸X 15.7英寸或更少的測試樣本 101。
[0070]在各個方面中，內箱104包括多個熱流傳感器110，諸如熱流計。在一些實施例中，熱流傳感器110被連接到內箱104的側壁。例如，在圖3中示出的實施例中，內箱104的四個側壁的每一個包括連接到側壁外側的一個或更多熱流傳感器110。在一些實施例中，熱流傳感器110可被連接到內箱104的側壁的內側。在某些實施例中，熱流傳感器110嵌入內箱104的壁內。在一些實施例中，熱流傳感器110沿內箱104的側壁成行設置。在一些實施例中，熱流傳感器110沿內箱104的側壁的排成至少一行；在一些實施例中，至少兩行；在一些實施例中，至少三行；在一些實施例中，至少四行；在一些實施例中，傳感器成行布置直至內箱104的頂部。熱流傳感器110可包括例如熱電熱流計、基于熱電偶的熱流計和其組合。在一些實施例中，熱流傳感器110由對熱通量比提供低信號的多個不同材料制成(諸如陶瓷、鉍、碲化物、焊料等)。熱流傳感器110可以對用于測試室102的構造的材料的不同熱膨脹敏感，且可被構造成允許熱量流經它們且進入外箱103。
[0071]在一些實施例中，熱流傳感器110被連接到側壁，而不連接到內箱104的底部，以容納放置在熱量計100中的大重量測試樣本101。例如，測試樣本101可以是重200KG或更多的電池組，如果熱流傳感器110被連接到內箱104的底部且因而需要支撐測試樣本101的大重量，則電池組可能使得熱流傳感器110裂開和損壞。因為熱流傳感器110被連接到內箱104的側壁，因此在各個方面中，內箱104被構造成促使熱量從測試室的底部傳至包括熱流傳感器110的側壁。在某些實施例中，這通過借助于一個或更多如下文詳細描述的隔熱裝置108和/或借助于隔熱體123將內箱104懸掛在外箱103內而實現。
[0072]內箱104的底部可被制成為具有適當厚度以作為導熱體，且可被可傳熱地連接到內箱104的側壁。在一些實施例中，內箱104的底部的厚度和側壁的厚度獨立地從約0.5英寸至約2英寸厚。在一些實施例中，內箱104的底部的厚度和側壁的厚度獨立地選自0.5英寸、0.75英寸、1.0英寸、1.25英寸、1.5英寸、1.75英寸和2英寸厚。在一些實施例中，底部的厚度和側壁的厚度相同。在一些實施例中，底部的厚度和側壁的厚度不同。在一些實施例中，底部和側壁都是約I英寸厚。在該構造中，來自電池的熱量的絕大部分或全部將傳至內箱104的底部，然后將傳至內箱104的側壁，且傳至熱流傳感器110 (其測量通過其的熱量)，然后傳至外箱103。[0073]外箱
[0074]制造外箱103的材料可以多種多樣。在某些實施例中，外箱103由導熱材料制成。在一些實施例中，導熱材料選自鋁、鐵、鎳、銅、鋅、錫、鎢、鉛、不銹鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金、黃銅和其組合。在一些實施例中，外箱103由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的結構剛硬和導熱的材料制造。在一些實施例中，外箱103是鋁。
[0075]外箱103的側壁和底部的厚度可以多種多樣。在一些實施例中，外箱103的底部的厚度和側壁的厚度獨立地從約0.5英寸至約2英寸厚。在一些實施例中，外箱103的底部的厚度和側壁的厚度獨立地選自0.5英寸、0.75英寸、1.0英寸、1.25英寸、1.5英寸、1.75英寸和2英寸厚。在一些實施例中，底部的厚度和側壁的厚度相同。在一些實施例中，底部的厚度和側壁的厚度不同。在一些實施例中，底部和側壁都是約0.75英寸厚。
[0076]在各個方面中，外箱103作為防止等溫浴槽(以下描述)中的小變化由熱流傳感器110檢測到的熱緩沖器。由外箱103提供的緩沖允許熱量計100在通過熱流傳感器110測量的熱流中具有相對低的基線波動，在一些實施例中，是約+/-5.0mff0熱流傳感器110的測量中的低基線波動允許熱流傳感器110的測量的靈敏度和精確度增加。
[0077]內箱和外箱之間
[0078]參考圖2和圖6，測試室102的內箱104借助于一個或更多隔熱裝置108可被懸掛在測試室102的外箱103內。在各個方面中，隔熱裝置108防止來自放置在內箱104內的測試樣本101的熱量從內箱104的底板傳至外箱103。在這點上，熱被強制從內箱104的底板傳至內箱104的側壁且傳至熱流傳感器110中。因此，在各個方面中，隔熱裝置108由隔熱材料構造且被構造成最小化流過其的熱流。
[0079]在一些實施例中，隔熱裝置108包括具有套108a的柱狀體，該套保持交替布置的隔熱球和圓柱108b。隔熱裝置108的高度可以多種多樣。在一些實施例中，隔熱裝置108的高度從約I英寸至約6英寸高。在一些實施例中，隔熱裝置108的高度選自約I英寸、約1.5英寸、約2英寸、約2.5英寸、約3英寸、約3.5英寸、約4英寸、約4.5英寸、約5英寸、約6.5英寸和約6英寸。在一些實施例中，隔熱裝置108的高度是約3英寸。
[0080]制造套108a的材料可以多種多樣。在一些實施例中，套108a由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的結構剛硬且導熱的結構制造。在一些實施例中，套108a是鋁。在各個方面中，套可以具有足夠的高度，以包圍交替布置的球和圓柱108b，且還避免與內箱104的底板接觸。
[0081]制造球和圓柱108b的材料可以多種多樣。在一些實施例中，球和圓柱108b由選自無機、非金屬、結晶性氧化物、氮化物或碳化物材料的隔熱材料制造。在一些實施例中，球和圓柱108b是陶瓷的。
[0082]球和圓柱108b減少了內箱104和外箱103之間的熱傳導。在各個方面中，隔熱裝置108被如圖6中所示地構造，使得與內箱104的底板之間的第一接觸點是球，允許與內箱的底部僅有小接觸點。小接觸點將阻礙熱量從內箱104的底板傳至外箱103，從而強制熱量傳至內箱104的側壁且進入熱流傳感器110。在某些實施例中，隔熱裝置108的布置被構造成使得球和圓柱108b之間的最后接觸點也是設置成與外箱103的底板接觸的球。在陶瓷球和圓柱結構內的點接觸進一步限制熱傳導。隔熱裝置108可包括一個或更多陶瓷球和圓柱108b，例如在圖6中示出的實施例中示出三個陶瓷球和兩個陶瓷圓柱。當然，也可使用或替代性使用其它隔熱裝置108 (包括由除了陶瓷之外的隔熱材料制成的球和圓柱)；或在一些實施例中，可不使用隔熱裝置。
[0083]再次參考圖2和圖6，在一些實施例中，通過隔熱裝置108在測試室102的內箱104和外箱103的底部之間形成的空間可由隔熱體123填充，以幫助減少經由內箱104的底部至外箱103的熱傳導。隔熱體123可以是能夠防止熱量從內箱104傳遞到外箱103的任何類型。在一些實施例中，隔熱體123選自多層隔熱體、真空隔熱體、玻璃纖維隔熱體、陶瓷隔熱體、氣凝膠、SEA膠、銅膠、硒化鎘隔熱體(例如量子點)和其組合。在一些實施例中，隔熱體123是氣凝膠。使用的隔熱體123的量可以與隔熱裝置108的高度相同或不同。在一些實施例中，隔熱體123的量被選擇以與隔熱裝置108的高度匹配。例如，在一些實施例中，隔熱裝置108是三英寸高且隔熱體123是三英寸厚。在一些實施例中，可以進行隔熱體123的選擇以對熱量計100提供增加的結構穩定性。例如，在某些實施例中，隔熱體123是氣凝膠，其提供結構強度以支撐內箱104的重量。氣凝膠具有約0.008W/m° K的導熱率，因此測量23.6英寸X 15.7英寸的三英寸氣凝膠可每。C溫度差僅傳導25mW的熱量。當與被設置成朝內箱104的側壁傳導熱的內箱104的底部組合時，隔熱體123兩側的溫度差可小于0.1°C，將幫助將經由隔熱體123的熱傳導限制為小于2.5mW。
[0084]在一些實施例中，內箱104的側壁經由一個或更多楔塊105被可傳熱地連接到外箱103的側壁。楔塊105包括導熱材料且截面為三角形，例如在圖2中示出的。制造楔塊105的材料可以多種多樣。在某些實施例中，楔塊105由導熱材料制成。在一些實施例中，導熱材料選自招、鐵、鎳、銅、鋅、錫、鶴、鉛、不銹鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金、黃銅和其組合。在一些實施例中，楔塊105由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的結構剛硬且導熱的材料制成。在一些實施例中，楔塊105是鋁。
[0085]在一些實施例中，楔塊105可被切割且定位使得它們作用就像單個板被在其長度上對角切開一樣，形成一起滑動以形成矩形板的兩個楔形件，如圖2所示。在圖2中示出的實施例中，一個楔塊105從較厚頂部到較薄底部(例如從一英寸厚度到四分之一英寸厚度)漸變，而匹配楔塊105從較薄頂部到較厚底部(例如從四分之一英寸厚至一英寸厚)漸變。在一些實施例中，兩個楔塊105之間的界面——與外楔塊105和外箱103的側壁之間的界面一樣——可覆蓋有導熱油脂。在一些實施例中，油脂可被諸如Sil-pad的柔性且導熱的墊替代。在一些實施例中，楔塊105可被一體式構造的矩形板替代。
[0086]楔塊105可幫助在連接到內箱104的側壁上的熱傳感器110上施加均勻壓力，且提供用于熱量從內箱104經由熱傳感器100傳至外箱103的導熱路徑。在一些實施例中，熱流傳感器110上的均勻壓力允許相對不易彎曲的陶瓷熱流傳感器110平齊地安裝至內箱104的側面而不用擔心熱流傳感器110破裂。內箱104的側面的緊密的平坦容差可保證熱流傳感器110與側面齊平地安裝，從而防止出現任何妨礙經由熱流傳感器110傳熱的間隙。在一些實施例中，楔塊105可被提供與楔塊105類似的導熱性和均勻壓力的一體式構造的矩形板替代。
[0087]母線
[0088]參考圖2和圖4，在一些實施例中，一個或更多電導體112可被安裝到內箱104的內側壁。在一些實施例中，電導體112是母線。在一些實施例中，電導體112經由導熱但電絕緣的墊諸如0.13mm厚Sil-pad被安裝到內箱104的內側壁。[0089]制造電導體112的材料可以多種多樣。在某些實施例中，電導體112由導熱材料制成。在一些實施例中，導熱材料選自鋁、鐵、鎳、銅、鋅、錫、鎢、鉛、不銹鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金、黃銅和其組合。在一些實施例中，電導體112由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的剛性和導熱材料制造。在一些實施例中，電導體112是銅。
[0090]電導體112的尺寸可以多種多樣。在一些實施例中，電導體112在幾乎內箱104的側壁的寬度上延伸。在一些實施例中，電導體112的寬度可從約Icm至約10cm。在一些實施例中，電導體112的寬度選自約1cm、約2cm、約3cm、約4cm、約5cm、約6cm、約7cm、約8cm、約9cm和約10cm。在一些實施例中，電導體112的厚度可以從約0.5cm至約5cm。在一些實施例中，電導體112的寬度選自約0.5cm、約1cm、約1.5cm、約2cm、約2.5cm、約3cm、約3.5cm、約4cm、約4.5cm和約5cm。在一些實施例中，電導體112是約5cm寬和約2.5cm厚。
[0091]電導體112提供測試本體101和外部電源之間的連接。在一些實施例中，電源被構造成對測試樣本101充電和放電。例如，在圖4中示出的實施例中，電池測試樣本101的正端子IOla可通過第一母線112連接到外部商業電池充放電循環器，而電池測試樣本101的負端子IOlb可經由第二母線112連接到商業電池充放電循環器。如下文更詳細描述的，母線112和外部電源之間的電力線纜可經過等溫浴流體158，以最小化它們對測試室102的熱影響。
[0092]電導體112幫助熱量計100 (經由熱流傳感器110)獲取和測量來自測試樣本101(例如電池測試樣本的正、負端子IOlaUOlb)的熱量——如果電力線纜直接經由熱量計的蓋120到外部電源，則熱量將會經由蓋損失到環境空氣或等溫流體158。這是因為在沒有電導體112的情況下，電力線纜提供熱逸出蓋120的路徑，該路徑繞過熱量計100的熱流傳感器110。電導體112幫助熱量計100獲取和測量熱量，因為它們可傳熱地連接到內箱104，且因此將熱量傳至內箱104，又經由熱流傳感器110和楔塊105傳至外箱103。電導體112幫助將用于測試樣本101的電力線纜的熱流引導到內箱103的側壁且經過熱流傳感器110——熱流在該處可被測量。電絕緣墊防止流向測試樣本101或自測試樣本101流出的電流流至內箱104。
[0093]電導體112使得熱量計100具有吸納和測量從諸如具有大電流率的電池、電動馬達、發電機、諸如轉換器和逆變器的電力電子裝置等的測試樣本101產生的熱量的能力——即使涉及的電流量相對較大。
[0094]蓋
[0095]在一些實施例中，熱量計100的蓋120包括上部124和下部122，如在圖2中示出的實施例中示出的。在一些實施例中，在上部124和下部122之間具有空間，所述空間可至少部分填充有隔熱體123。
[0096]制造蓋120的上部124的材料可以多種多樣。在某些實施例中，蓋120的上部124由導熱材料制成。在一些實施例中，導熱材料選自鋁、鐵、鎳、銅、鋅、錫、鎢、鉛、不銹鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金、黃銅和其組合。在一些實施例中，蓋120的上部124由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的結構剛硬且導熱的材料制造。在一些實施例中，蓋120的上部124是鋁。在一些實施例中，蓋120的下部122是塑料殼體。隔熱體123可以是能夠防止熱傳至蓋120外部的任何類型。在一些實施例中，隔熱體123選自多層隔熱體、真空隔熱體、玻璃纖維隔熱體、陶瓷隔熱體、氣凝膠、SEA膠、銅膠、硒化鎘隔熱體(例如量子點)和其組合。在一些實施例中，隔熱體123是氣凝膠。選擇的隔熱體123的量可完全填充蓋120的上部124和下部122之間的空間，或可能部分填充蓋120的上部124和下部122之間的空間。
[0097]在各個方面中，蓋120包括提供如果發生測試樣本101的熱逸出時緊急泄壓的通氣管125。在一些實施例中，通氣管125包括從蓋120的中心向上延伸的小管，且可安裝防爆片126。通氣管125從測試室102的頂部穿過等溫浴槽，且從熱量計100的頂部出來，在此處，防爆片126蓋住通氣管125管道。當測試室102內、外部存在壓差時(例如5psi或更多)時，防爆片126可以破裂，從而幫助保護測試室102不會由于例如通過電池爆炸引起的過壓而損壞。另外，防爆片126被設置在等溫浴液位上方，以防止在防爆片126破裂的情況下液體進入熱量計100。
[0098]為了阻止可能繞過熱流傳感器110的潛在熱路徑，在一些實施例中，通氣管125通過在通氣管125管道內設置隔熱體123來隔熱。在一些實施例中，隔熱體123阻擋熱流，但是仍足夠輕，使得在測試室102出現過壓時隔熱體從通氣管125噴出。因為通氣管125管道穿過等溫浴流體158，因此其溫度可實質上與測試室的外箱103的溫度相同，從而幫助限制熱傳導。該隔熱體123可以是能夠防止熱傳遞的任何類型。在一些實施例中，隔熱體123選自多層隔熱體、真空隔熱體、玻璃纖維隔熱體、陶瓷隔熱體、氣凝膠、SEA膠、銅膠、硒化鎘隔熱體(例如量子點)和其組合。在一些實施例中，隔熱體123是氣凝膠。
[0099]等溫浴槽
[0100]在各個方面中，測試室102被隔熱，使得周圍環境溫度不影響由熱流傳感器110獲取的測量值。可以使用任何適當的隔熱測試室102的裝置。在一些實施例中，測試室102通過浸入具有等溫流體158的等溫浴容器150而被隔熱。參考圖1和圖2，在一些實施例中，等溫浴容器150包括大于測試室102的內箱浴腔154，從而測試室102當放置在內箱浴腔154中時可被完全浸入等溫流體158中。
[0101]容器150的浴腔154的體積可以多種多樣。在一些實施例中，浴腔154的體積從約100加侖至約200加侖。在一些實施例中，浴腔154的體積選自約100加侖、約110加侖、約120加侖、約130加侖、約140加侖、約150加侖、約160加侖、約170加侖、約180加侖、約190加侖和約200加侖。在一些實施例中，浴腔154具有約160加侖的體積。
[0102]制造內箱浴腔154的材料可以多種多樣。在某些實施例中，內箱浴腔154由能夠保持大容量液體的結實的結構可靠的材料制成。在一些實施例中，材料選自鋁、鐵、鉛、不銹鋼、黃銅和其組合。在一些實施例中，內箱浴腔154是不銹鋼。
[0103]在一些實施例中，測試室102經由一個或更多支撐結構155被支撐在內箱浴腔154內，如圖1和2中示出的實施例所示。參考圖2，在一些實施例中，蓋156被設置到等溫浴容器150上，在一些實施例中該容器可被隔熱。在一些實施例中，蓋156包括腔和被構造成允許等溫流體158通過泵經由該腔循環的至少一個入口和至少一個出口，以減少環境條件的影響。蓋156可包括位于測試室102的通風管125和防爆片126上方的蓋罩或通風孔157。
[0104]等溫流體158的溫度可以多種多樣。在一些實施例中，等溫流體158的溫度可被控制成在-40°C至100°C的范圍內±0.001°C。如下面詳細描述的，在一些實施例中，等溫流體158的溫度可通過加熱元件162、、冷卻元件164和通過多個混合元件160控制。
[0105]在一些實施例中，內箱浴腔154被隔熱體153包圍，隔熱體153裝入外箱152中。隔熱體153可幫助保持等溫浴槽處于相對恒定的溫度，而不管周圍環境溫度差異如何。隔熱體153可以是能夠防止熱傳遞的任何類型。在一些實施例中，隔熱體153選自多層隔熱體、真空隔熱體、玻璃纖維隔熱體、陶瓷隔熱體、氣凝膠、SEA膠、銅膠、硒化鎘隔熱體(例如量子點)和其組合。
[0106]等溫浴流體158可被用于填充內箱浴腔154。在一些實施例中，等溫浴流體158選自Dynalene⑧、礦物油、硅油、乙二醇/水、丙二醇/水、齒化碳和其組合。在某些實施例中，Dynalene?由于其低溫時的低粘度可被用于相對大的熱量計，諸如圖1中示出的熱量計100實施例，可防止在等溫流體158中出現熱袋。在一些實施例中，內箱浴腔154填充有空氣而不是流體，使得空氣作為測試室102和外部環境之間的熱緩沖。在一些實施例中，內箱浴腔154填充有氣體而不是流體，使得氣體作為測試室102和外部環境之間的熱緩沖。在一些實施例中，氣體包括不容易與熱量計100的部件起反應的惰性氣體。在一些實施例中，氣體選自氫氣、氦氣、氮氣、氧氣、氖氣、気氣、氪氣、氣氣和氡氣。在一些實施例中，氣體是氮氣。
[0107]等溫浴容器150幫助測試室102隔熱，因為測試室102完全浸入等溫流體158中(即不是僅測試室102的五個面浸入浴中)。通過浸入測試室102的所有六個側面提供的附加隔熱幫助防止使用熱量計100的場所中的環境溫度經由測試室的蓋120影響熱量計100的測量。
[0108]加熱和冷卻
[0109]參考圖1和圖2，如上所述，在一些實施例中，利用位于等溫浴容器150內的加熱元件162和冷卻元件164且還通過用混合元件160混合等溫流體158，在等溫浴槽中實現精細水平的溫度控制。在一些實施例中，加熱元件162和冷卻元件164可位于等溫浴容器150的內箱浴腔154的每個角部。
[0110]在一些實施例中，冷卻元件164可以是線圈。在一些實施例中，流經冷卻元件164的制冷劑的蒸發溫度可被設置成略低于等溫流體158的期望溫度。這可通過節流用于泵送制冷劑經過冷卻元件164的壓縮機的抽吸以便調整在蒸發器上抽出的真空來實現。由于熱量計的大熱質量，制冷劑可被具有大冷卻能力的冷卻器冷卻，且使得冷卻元件164能夠在_40°C提供4KW的冷卻。在一些實施例中，制冷劑可被以短脈沖方式每20秒持續約半秒噴射到冷卻元件164中。制冷劑可以是有效冷卻等溫流體158的任何適當類型。在一些實施例中，制冷劑是R-404制冷劑。
[0111]在一些實施例中，加熱元件162也可以是線圈，諸如電阻線圈。與冷卻元件164(試圖保持等溫流體158的溫度恰恰低于期望溫度)結合，加熱元件162使等溫流體158的溫度升至期望溫度。在一些實施例中，加熱元件162可以與冷卻元件164共同定位，例如加熱元件162可位于冷卻元件線圈164的線圈內，可幫助防止在浴槽內出現熱點和冷點。
[0112]在一些實施例中，熱量計100使用與冷卻元件164和加熱元件162連接的多個比例積分微分(PID)控制器以在等溫流體158接近目標溫度時逐漸減少冷卻，然后一旦等溫流體達到目標溫度就維持等溫流體158處于目標溫度。在熱量計100的操作期間，在一些實施例中，等溫流體158溫度可被維持在目標溫度的± 0.001 °C內。[0113]參考圖2，在一些實施例中，在等溫浴容器150中可使用一個或更多混合元件160來使等溫流體158繞測試室102循環。在一些實施例中，每個混合元件160可包括馬達、細長軸和一個或更多葉片。在一些實施例中，每個混合元件160可包括循環泵和管道。在一些實施例中，可使用四個混合元件160，兩個混合元件160位于等溫浴容器150的相對的拐角處，兩個混合元件160在測試室102的長邊上傾斜地延伸。混合元件160的這種構造允許混合元件160 —起工作以產生繞測試室102循環的等溫流體158的單方向流動，且引起該流動以振動模式蛇形圍繞測試室102。在一些實施例中，混合可通過使用流體動態模型改進。
[0114]通過浴槽的線纜
[0115]在熱量計100的操作期間，需要將測試樣本101連接到外部電源，從而測試樣本101能夠操作。在各個方面中，這通過使用在測試樣本101和外部電源之間延伸的線纜170執行。在一些實施例中，線纜包括金屬線和絕緣保護層。參考圖1，在一些實施例中，一個或更多線纜170可從外部電源經由等溫流體158延伸到測試室102。經過等溫流體158布線的線纜170可包括將測試樣本191連接到外部電源(如上所述)的電力線纜、將熱流傳感器110的測量值提供給外部計算機的數據線纜等。線纜170經過等溫流體158以便幫助減少周圍環境空氣溫度的熱回流影響由熱流傳感器110測量的熱流，且使由線纜產生的任何熱量不干擾由熱流傳感器110獲取的讀數。在一些實施例中，線纜170的一些(諸如將電池測試樣本101連接到外部電池充放電循環器的電力線纜)的布線可具有經過等溫流體158的幾個匝，以便減少來自電池測試樣本101的端子IOlaUOlb的傳導損耗，且從而提高精度。
[0116]液體冷卻系統
[0117]在一些實施例中，熱量計100包括液體冷卻的管道或管路回路以將冷卻流體從熱量計100外部循環到測試室102內部的測試樣本101。參考圖4，在一些實施例中，電池測試樣本101可包括用于將冷卻流體接收在測試樣本101內的輸入端口 IOlc和用于從測試樣本101排出冷卻流體的輸出端口 101d。在一些實施例中，連接到正排量泵的外部等溫浴槽將冷卻流體提供至測試樣本101，且能夠以精確控制的溫度和體積噴射冷卻流體。在某些實施例中，冷卻流體選自水、乙二醇(例如聚(丙二醇)、聚(乙二醇)等)、變壓器油、硅油、諸如包括基于合成或有機配方的其它傳熱流體以及前述的組合。
[0118]為了測量通過冷卻流體帶走的熱量，在一些實施例中，一個或更多熱流傳感器可位于冷卻流體輸入端口 IOlc和輸出端口 IOld以提供測量交換的熱量的裝置。在一些實施例中，流體進出熱量計的溫度可用電阻溫度檢測器測量(rtd，例如精確到0.0orc的四線白金RTD)和/或精確的熱電偶。精確體積和溫度測量的組合可允許確定多少熱量由液體冷卻劑帶走。
[0119]在又另一實施例中，冷卻液體在被引入測試室102之前可通過熱交換器以便使得冷卻流體與等溫流體158溫度相稱。在冷卻流體已冷卻測試樣本101之后，冷卻流體退出測試樣本102，且通過能夠測量測試樣本和冷卻流體之間交換的熱的另一熱交換器。在一些實施例中，熱交換器被設置成與等溫流體158接觸。在一些實施例中，熱交換器位于等溫流體容器150外部。
[0120]操作
[0121]參考圖1至圖6，現在將描述用于本文公開的熱量計100的某些實施例的操作協議。在各個方面中，測試樣本101諸如電池組101被放置在測試室102內，經由測試樣本101的正端子101a、負端子IOlb實現電連接，如果需要，液體冷卻線路被經由冷卻流體輸入端口 IOlc和輸出端口 IOld連接到測試樣本101。然后測試室102的蓋120用固定機構130固定，在一些實施例中，該固定機構包括多個彈簧加載的夾且不管等溫流體158中的溫度變化如何均能保持密封。測試室102被凈化且可用惰性氣體(例如2psi的氮)輕微地加壓，且在測試期間這種加壓可被維持以便防止在熱爆炸或其它事件發生時等溫流體158進入測試室102。等溫流體158然后被泵送到等溫浴容器150的內箱浴腔154內，且被泵送到測試室102的蓋120上方大約兩英寸的水平，從而測試室102的全部一除了通氣管125的上部之外一沉浸到等溫流體158下方。
[0122]等溫浴容器150的蓋156位于測試室102和通氣管125上方且被封閉，使等溫流體158達到希望的測試溫度。之后,測試樣本101的測試可開始。
[0123]一旦測試樣本101被固定到熱量計100的測試室102內部，可以執行各種測試。可編程的外部電源/負載可被用于在測試樣本101上執行測試，在一些實施例中用于模仿真實的使用情況，或在一些實施例中測試該測試樣本101規格的限值。例如，測試樣本電池組101經由通過商用電池充放電循環器的一個或更多充電-放電循環可至少部分充電和至少部分放電。隨著測試的進行，測試樣本101產生的任何熱量將流經熱流傳感器119，被傳遞至外箱103，且在此處消散到等溫流體158中。在一些實施例中，熱流傳感器110的測量的精確度可以是±15mW。在測試樣本與等溫流體158的溫度平衡時，即使在測試完成之后，也可繼續數據收集，以便允許熱流返回到基線水平。等溫流體158的溫度在不同測試中可不同或即使在單個測試期間甚至也可改變。例如，測試樣本101可在等溫流體158處于-40°C的情況下測試，一旦測試完成，等溫流體158的溫度可增加到_30°C，且可以執行另外的測試。等溫流體158的溫度可以各種增量類似地一路增加到+100°C。在一些實施例中，通過至少部分地排出等溫流體158和打開測試室102，測試樣本101可在各測試設置之間切換。
[0124]從測試樣本101的一個或更多測試獲得的數據可包括測試樣本的隨溫度變化的效率的指示，和/或尤其可被用以設計或改進用于測試樣本101的熱管理系統或對測試樣本101本身的設計改進。從測試獲得的數據對于用于電動車輛的電池和電池組特別有用一因為在這些電池的效率上有相對大的影響溫度。
[0125]熱量計100能夠在測試樣本101上執行的眾多不同測試中的一些包括但不限于:直接測量電池和電池組的自放電，確定電池管理系統(例如用于鋰電池系統)的功耗，測量電池和/或整個電池組在充電和/或放電時(包括僅充電或放電——不同于僅能針對充電和放電的組合情形進行測量)產生的熱量，測量在單個單元和/或電池組被充電和放電時在電池組的單個單元中產生的熱量(可允許識別在電池組內的幾個單元之間的效率差別)，測量電子裝置在操作時產生的熱量，測量電池組在長時間存放但沒有操作時的變化(如果有的話)或測量這種電池組在長時間后的性能等。
[0126]在一些實施例中，關于特定測試樣本101收集的數據的類型可確定熱量計在測試樣本101上將執行的測試的類型或多個類型。例如，如果已知以特定方式使電池測試樣本101進行充放電循環在電池的特定區域(例如相互連接區域)產生熱量，電池測試樣本101可以該方式進行測試，以確定電池的該特定區域的熱操作特性。而且，紅外或其它方式的溫度敏感相機可被設置在測試室102內以便使得在測試期間測試樣本101的溫度變化可視化。因為熱量計100可提供關于在特定樣本中在何種部位產生熱量的數據，該數據可被用于幫助設計改進的測試樣本101，包括可幫助防止意外(例如熱爆炸)發生的設計改變。通常，熱量計100可針對設置在測試室102內的特定測試樣101進行寬范圍的不同測試操作。
[0127]小熱量計
[0128]圖7至圖11公開了由本發明提供的較小體積或單元熱量計的實施例。現在參考圖7至圖11,現在將描述單元熱量計(cell calorimeter)700的實施例。在一些實施例中，熱量計700比以上結合圖1至圖6示出且描述的熱量計100小。圖7至圖11中示出且下文中描述的熱量計700可以具有足夠的尺寸以容納相對小的電池或電池的子組，和其它相對小的電子裝置。熱量計700尤其可被用于測試樣本701產生的熱量的精確測量，且可通常被用于測量電池和其它類型的電子裝置的熱操作特性。測試樣本701的形狀和/或幾何結構可以多種多樣。在一些實施例中，測試樣本701可以是圓柱狀單元、圓柱狀模塊、棱柱狀罐或棱柱狀盒單元。
[0129]在各個方面中，圖7至圖11中示出的熱量計700與圖1至圖6中示出的熱量計的類似之處在于它們包含關于熱流和熱管理的類似結構和概念。
[0130]測試室
[0131]在一些實施例中，熱量計700包括具有外箱703的測試室702。熱量計700還包括位于測試室702的外箱703底部上的一個或更多熱流傳感器710。因為熱量計700相對小，測試室702僅能夠容納相對小的重量輕的測試樣本701。由于熱流傳感器710將能夠更好地經受相對輕重量的測試樣本701產生的壓力，因此熱流傳感器710可位于測試室702的外箱703的底部上。這與上述重測試樣本101需要熱流傳感器110位于測試室104的內壁上的大體積熱量計100形成對比。在一些實施例中，外箱703作為熱緩沖以幫助防止等溫流體158的任何溫度變化影響熱流傳感器710的熱測量。
[0132]在一些實施例中，一個或更多導熱板704a、704b、704c可位于熱流傳感器710的頂部上。制造導熱板704a、704b、704c的材料可以多種多樣。在某些實施例中，導熱板704a、704b、704c由導熱材料制成。在一些實施例中，導熱材料選自鋁、鐵、鎳、銅、鋅、錫、鎢、鉛、不銹鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金、黃銅和其組合。在一些實施例中，導熱板704a、704b、704c由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的結構剛硬和導熱的材料制造。在一些實施例中，導熱板704a、704b、704c是鋁。在一些實施例中，導熱板之一 704a可包括孔，測試樣本701可被閂鎖到或以其他方式固定到板704a的該孔上。在一些實施例中，導熱板704a的厚度可以多種多樣，另外的板可被結合到基板704a以增加基板704a的厚度。在一些實施例中，導熱板704a可被涂成黑色和/或陽極化以便增加其從測試室102吸收熱量的能力，所述熱量在一些實施例中包括如下所述被內壁722反射的熱量。導熱板704a、704b、704c作為測試樣本701產生的熱到達位于測試室702的底部的熱流傳感器710的緩沖。
[0133]在各個方面中，測試室702包括一對內壁722。在一些實施例中，內壁722被構造成具有低發射率，使得它們反射熱量，而不是吸收熱量。以這種方式，測試室702中的熱量可由內壁722反射且被導向導熱板704a，并且從所述導熱板傳至熱流傳感器710。制造內壁722的材料可以多種多樣。在某些實施例中，內壁722由具有低發射率的材料制成。在一些實施例中，材料被高拋光以增強熱反射。在一些實施例中，導熱材料選自鋁、PVC和其組合。在一些實施例中，內壁722是鋁。隔熱體723可被設置在內壁722和外箱703之間。隔熱體723可以是能夠防止熱傳遞的任何類型。在一些實施例中，隔熱體723選自多層隔熱體、真空隔熱體、玻璃纖維隔熱體、陶瓷隔熱體、氣凝膠、SEA膠、銅膠、硒化鎘隔熱體(例如量子點)和其組合。在一些實施例中，隔熱體723是氣凝膠。
[0134]在一些實施例中，測試室702包括蓋720。制造蓋720的的材料可以多種多樣。在某些實施例中，蓋720由導熱材料制成。在一些實施例中，導熱材料選自鋁、鐵、鎳、銅、鋅、錫、鎢、鉛、不銹鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金、黃銅和其組合。在一些實施例中，蓋720由選自鋁、銅、不銹鋼、鋼、鈦、哈氏合金、鉻鎳鐵合金和其組合的結構剛硬和導熱材料制造。在一些實施例中，蓋720是鋁。在某些實施例中，蓋720包括帶有管道的通氣管725和防爆片726，與上面結合圖1和圖2描述的通氣管125和防爆片126構造相同。蓋720通過一個或更多密封機構730可被固定到測試室702的外箱703。密封機構730可以包括0形圈、鉸接夾、柱塞型鉸接夾、彈簧加載夾、其它密封和緊固部件以及其組合。在一些實施例中，密封機構730包括夾。夾可被彈簧加載，且可維持蓋720和測試室702之間的密封——不管等溫浴槽的溫度如何，彈簧提供均勻的一致的密封力，且因而補償密封件和單元的不同熱膨脹和收縮。
[0135]在熱量計700的操作期間，在一些實施例中，測試室702可浸入與上述等溫浴容器150很像的等溫浴容器750的等溫流體758中。在一些實施例中，等溫流體758選自
Dynalene?、礦物油、硅油、乙二醇/水、丙二醇/水、鹵化碳、以及它們的組合。在一些
實施例中，等溫浴容器750內充滿了空氣而不是流體，使得空氣作為測試室702和外部環境之間的熱緩沖。在一些實施例中，在等溫浴容器750被填充有氣體而不是流體，使得氣體作為測試室702和外部環境之間的熱緩沖。在一些實施例中，該氣體包括不易與熱量計700的部件起反應的惰性氣體。在一些實施例中，該氣體選自氫氣、氦氣、氮氣、氧氣、氖氣、IS氣、氪氣、氣氣、氡氣。在一些實施例中，該氣體是氮氣。
[0136]在一些實施例中，等溫浴容器750包括裝在外箱752內由隔熱體753包圍的內浴腔754。隔熱體753可以是能夠防止熱傳遞的任何類型。在一些實施例中，隔熱體753選自多層隔熱體、真空隔熱體、玻璃纖維隔熱體、陶瓷隔熱體、氣凝膠、SEA膠、銅膠、硒化鎘隔熱體(例如量子點)和其組合。在一些實施例中，隔熱體723是氣凝膠。
[0137]參考圖7，在一些實施例中，如上所述，一個或更多線纜170 (包括電力和/或數據線纜)可經過等溫流體758。在一些實施例中，一個或更多線纜170 (包括電力和/或數據線纜)可穿過通氣管725管道延伸到測試室702內部。在一些實施例中，在線纜170如上所述經過等溫流體758之后，一個或更多線纜170 (包括電力和/或數據線纜)可穿過通氣管725管道延伸到測試室702內部。在一些實施例中，一個或更多線纜170 (包括電力和/或數據線纜)可穿過通氣管725管道延伸至測試室702內部，而不需要線纜170經過等溫流體758。在一些實施例中，如上所述，等溫浴容器750可包括加熱和冷卻元件以及混合元件，以幫助保持等溫流體758的溫度在相對恒定的目標溫度。在一些實施例中，等溫浴容器750包括蓋756，該蓋帶有蓋罩或通風孔757以容納通氣管725和防爆片726，其一起覆蓋等溫浴容器750的。在一些實施例中，蓋756包括腔和至少一個入口和至少一個出口，其被構造成允許等溫流體758借助泵經過腔循環以減少環境條件的影響。
[0138]如上所述，在一些實施例中，熱流傳感器710位于測試室702的單個面上一在某些實施例中，其是外箱703的底面。將熱流傳感器710定位在單個面上尤其提供以下優勢:尺寸公差更容易管理(熱流傳感器710可保持平坦且處在壓力下，從而幫助它們正確操作，保持在熱流傳感器710上的均勻壓力可允許大操作溫度范圍，且補償熱量計的制造中使用的材料的不同熱膨脹)；熱流傳感器的電配線可簡化；熱流傳感器的數量可減少；制造熱量計700的成本可減少；熱量計700的熱質量可減少，從而減少各次測試之間的時間且增加測試次數；熱量計的精確度可增加，因為使用更少熱流傳感器，這可通過減少由于等溫流體758中的溫度變化造成的噪音來增加熱流信號的測量精度，等等。
[0139]母線
[0140]參考圖8、9和11，在一些實施例中，熱量計700包括一個或更多母線712。與上述電導體/母線112同樣，圖8、9和11中示出的母線712提供測試樣本701和外部電源之間的連接。然而與上述電導體112不同，圖8、9和11中示出的母線712不必可傳熱地連接到導熱板704a或測試室702的側壁722。而是，在某些實施例中，母線712可連接到專用導熱板704b、704c中的任一個或兩者。
[0141]在一些實施例中，一個母線712經由導熱但電絕緣襯墊(諸如Sil-pad)被連接到導熱板704b。
[0142]為了防止和/或最小化導熱板704a、704b、704c之間的熱流動，在各個方面中，導熱板704b、704c經由一個或更多隔熱裝置708 (圖11)可與導熱板704a隔熱。在圖11示出的實施例中，隔熱裝置708是球。在各個方面中，隔熱裝置708被如圖11所示構造，使得導熱板704b、704c的每一個和導熱板704a之間的接觸點是球，允許板之間僅有小接觸點。小接觸點將妨礙熱量從導熱板704a傳至導熱板704b、704c的任一個，從而強制熱量傳至熱流傳感器710。
[0143]制造隔熱裝置708的材料可以多種多樣。在一些實施例中，隔熱裝置708由選自無機物、非金屬、結晶性氧化物、氮化物或碳化物材料的隔熱材料產生。在一些實施例中，隔熱裝置708是陶瓷。
[0144]在各個方面中，導熱板704b、704c測量每個相應母線712中產生或從每個相應母線712產生的熱量。因為該熱量不傳至導熱板704a，專用熱流傳感器710可被連接到導熱板704b、704c以區分于來自測試樣本701本身的熱而分離地測量來自母線712的熱。與來自測試樣本701本身的熱分開地測量來自母線712的熱可允許更精確測量和/或可允許更詳細地確定測試樣本701的熱操作特性。然而，在一些實施例中，母線712可直接可傳熱地連接到導熱板704a，在這種情況下，熱流傳感器710可測量來自測試樣本701本身和母線712的組合的熱量。參考圖9，在一些實施例中，母線712可被連接在導熱板704a下方且母線的一個或更多延伸部可向上延伸且經由隔熱裝置連接到導熱板704a的上表面，從而測試樣本701可被電連接到母線712。
[0145]操作
[0146]在各個方面中，熱量計700的操作與上面詳細描述的熱量計100的操作類似。在某些實施例中，熱量計700的操作與上面詳細描述的熱量計100的操作相同。在各個方面中，熱量計700的操作與上面詳細描述的熱量計100的操作類似，且包括在測試前將測試樣本701固定到導熱板704a的步驟。
[0147]最后，應該注意，存在實現本文公開的實施例的替代方式。雖然上面已討論了多個方面和實施例，本領域技術人員將認識到某些變型、置換、附加和其子組合。
[0148]而且，如上面注意的，本文描述的“大” “小”熱量計僅是說明性實施例，且大熱量計實施例的很多概念例如可被應用到小尺寸熱量計。例如，設置在“大”熱量計100的側面上的熱流傳感器可替代地或附加地設置在“大”熱量計的底部——尤其是如果測試樣本101不特別重或如果支撐結構被用于支撐測試樣本101的絕大部分重量的情況下。同樣，熱流傳感器可被設置在“小”熱量計700的側壁上。作為變型的另一示例，熱量計100、700的蓋120、720不必浸入水中，而是可使等溫流體158、178被泵送通過蓋。而且，盡管已經對具體材料進行了參考(例如Dynalene，氣凝膠、鋁等)，本領域技術人員將認識到可使用類似材料，作為上述具體列出的材料的代替或附加。
[0149]因此，本實施例可被認為是說明性的而不是限制性的。此外，權利要求不限于本文給出的細節，享有它們的所有范圍和其等價物的權利，包括落入權利要求的真實精神的范圍內的所有這種變型、置換、附加和子組合。
【權利要求】
1.一種大體積熱量計，包括: 測試室，所述測試室包括嵌套在外箱內部的內箱和與所述內箱的外側壁接觸的多個熱流傳感器； 位于所述內箱的底板和所述外箱的底板之間的至少一個隔熱裝置； 與所述內箱的內壁接觸的至少一個母線；和 蓋; 其中所述測試室被構造成在熱量計的操作期間完全浸入等溫浴槽中。
2.如權利要求1所述的熱量計，其中所述內箱的體積是從約4升至約100升。
3.如權利要求2所述的熱量計，其中所述內箱的體積是96升。
4.如權利要求1所述的熱量計，其中所述等溫浴槽包括: 等溫浴容器，所述等溫浴容器包括大于所述測試室的浴腔、設置在所述浴腔中的等溫流體和蓋。
5.如權利要求4所述的熱量計，其中所述浴腔的體積是從約100加侖至約200加侖。
6.如權利要求5所述的熱量計，其中所述浴腔的體積是約160加侖。
7.如權利要求1所述的熱量計，其中所述至少一個隔熱裝置提供所述內箱的底板與所述外箱的底板的隔熱。
8.如權利要求7所述的熱量計，其中所述至少一個隔熱裝置包括柱狀體，該柱狀體包括環繞著交替布置的陶瓷球和圓柱的護套。
9.如權利要求1所述的熱量計，其中所述至少一個母線包括連接到母線的線纜，其中線纜包括設置在所述內箱內部中的第一端和設置在所述熱量計外部的第二端。
10.如權利要求9所述的熱量計，其中所述線纜在連接到所述母線之前穿過所述等溫浴槽。
11.如權利要求1所述的熱量計，其中所述蓋包括通氣管、防爆片和至少一個密封機構。
12.如權利要求1所述的熱量計,其中所述內箱的每個外側壁經由一對楔塊可傳熱地連接到所述外箱的對應內側壁。
13.如權利要求12所述的熱量計，其中所述楔塊包括導熱材料且截面是三角形。
14.如權利要求4所述的熱量計，其中所述等溫浴槽包括被構造成控制所述等溫浴槽中的等溫流體的溫度的至少一個加熱元件和至少一個冷卻元件。
15.如權利要求14所述的熱量計,包括至少一個混合元件,所述混合元件包括馬達、細長軸和至少一個葉輪。
16.—種熱量計,包括: 測試室，所述測試室包括: 外箱，所述外箱包括與外箱的底部接觸的多個熱流傳感器； 分別與熱流傳感器中的一些傳感器的頂部接觸的第一導熱板、第二導熱板和第三導熱板； 與所述外箱的內壁接觸的至少一個內壁； 與所述外箱的內底板接觸的至少一個母線；和 至 rm.，其中所述測試室被構造成在熱量計操作期間完全浸入等溫浴槽中。
17.如權利要求16所述的熱量計，其中所述第一導熱板被陽極化處理且包括多個孔。
18.如權利要求1的熱量計，所述等溫浴槽包括: 容器，所述容器包括比測試室大的內浴腔、設置在所述內浴腔中的等溫流體、外箱和蘭rm.， 其中所述容器被嵌套在所述外箱內部。
19.如權利要求18所述的熱量計，包括所述容器和所述外箱之間的隔熱體。
20.如權利要求19所述的熱量計，其中所述第二導熱板和所述第三導熱板經由至少一個隔熱裝置分別與所述第一導熱板隔熱。
21.如權利要求20所述的熱量計，其中所述至少一個隔熱裝置包括陶瓷球。
22.如權利要求16所述的熱量計，其中所述至少一個母線包括連接到所述母線的線纜，其中所述線纜包括設置在所述測試室內部的第一端和設置在所述熱量計外部的第二端。
23.如權利要求22所述的熱量計，其中所述線纜在連接到所述母線之前穿過所述等溫浴槽。
24.如權利要求16所述的 熱量計，其中所述蓋包括通氣管、防爆片和至少一個密封機構。
25.如權利要求24所述的熱量計，其中所述線纜在連接到所述母線之前穿過通氣管。
【文檔編號】G01K17/00GK103492846SQ201280019609
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2012年3月9日 優先權日:2011年3月11日
【發明者】M·A·凱澤, A·佩薩蘭, M·A·馬哈利克, J·愛爾蘭 申請人:可持續能源聯合有限責任公司