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分布式光纤传感技术在锂离子电池模组温度监测中的应用研究

作者及机构
本研究由Florian Krause、Moritz Schütte、Duc Minh Nguyen、Felix Schweizer、Mark Junker和Dirk Uwe Sauer共同完成，作者团队来自德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的电化学能量转换与存储系统研究所（Institute for Power Electronics and Electrical Drives, ISEA）、老化与可靠性研究中心（Center for Aging, Reliability and Lifetime Prediction, CARL）以及于利希-亚琛研究联盟（Jülich Aachen Research Alliance, JARA-Energy）。研究发表于2025年的《Journal of Energy Storage》（第131卷，第117347页）。

学术背景
锂离子电池（Lithium-ion batteries, LIBs）在电动汽车和固定式储能系统中的广泛应用对电池安全性提出了更高要求。电池模组的热行为监测是确保其安全性和性能的关键，但传统点式温度传感器（如热电偶、RTD和热敏电阻）因空间分辨率低、部署稀疏（如商用电动车模组仅配置2-3个传感器），难以捕捉局部热异常（如热点或锂枝晶引发的短路）。
本研究旨在验证分布式光纤传感器（Fiber Optic Sensors, FOS）基于瑞利背向散射和相干光频域反射技术（Rayleigh backscattering & Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR）的可行性，通过高空间分辨率（2.6 mm）和实时温度监测能力，解决传统方法的局限性，并探索其在电池管理系统（BMS）中实现早期热失控预警的潜力。

研究流程与方法
1. 实验设计
- 研究对象：构建4P3S电池模组，包含11个全新和1个预老化（250次循环，SOH<70%）的Terrae INR18650-30E锂离子电池（标称容量3 Ah）。
- 传感器配置：
- 传统传感器：3个AD590数字温度传感器（±0.5°C精度），部署于模组外壳和汇流排。
- 光纤传感器：Luna ODiSI 6104系统，采用OFDR技术，光纤沿电池表面蛇形布置，空间分辨率2.6 mm，采样率1 Hz。
- 红外热成像：FLIR Lepton 3.5相机（160×120像素，±0.05°C精度）作为验证手段。

1. 测试协议

   • 电循环测试：在20°C环境温度下进行173次充放电循环（充电6A/0.5C，放电12A/1C），穿插5次滥用测试（CC-CV充放电，0.6A放电至0.1A）。
     
   • 热事件触发：通过预老化电池（Z2）诱导局部过热，对比三种传感器的响应差异。
     

2. 数据分析

   • 温度数据对齐：将光纤应变信号（Δλ/λ₀ = Kε·ε + Kt·ΔT）转换为温度值，忽略机械应变影响（Kt=8.31 μm/m/°C）。
     
   • 热异常验证：结合红外热成像和CT扫描（Metrotom 800系统，30 μm/voxel分辨率）定位老化电池的内部缺陷。
     

3. 后验分析

   • 电化学测试：拆解模组后测量单体电池剩余容量。
     
   • 电极表征：在氩气环境下解剖电池，扫描阳极锂镀层（Canon CanoScan LiDE 300平板扫描仪）。
     

主要结果
1. 热监测性能对比
- 传统传感器：仅记录模组表面温度（峰值<40°C），无法检测Z2电池内部热点（实际温度>80°C）。
- 光纤传感器：在滥用测试中提前30分钟检测到Z2的异常温升（88.3°C），且发现相邻电池Z4的次生热点（86°C）。
- 红外验证：热成像显示Z2区域温度达50°C，与光纤数据趋势一致，但受限于单侧观测。

1. 老化机制分析

   • CT扫描：老化电池（Z2）内部 jelly roll 严重变形，阴极集流体厚度不均。
     
   • 电极扫描：Z2阳极出现大面积锂镀层（图10a-b），容量衰减至56%（图8b），而Z4因高温导致局部镀层（剩余容量85%）。
     

2. 早期预警价值

   • 光纤系统在电压下降（电信号异常）前15-20分钟即检测到温度阈值（30°C），证明其可作为BMS的实时预测工具。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 首次将OFDR光纤技术应用于电池模组级温度分布监测，揭示了传统传感器因热耦合不足和空间分辨率低导致的测量偏差。
- 明确了锂镀层（lithium plating）与局部热异常的因果关系，为电池老化建模提供实验依据。

1. 应用价值
   
   • 光纤传感器的小尺寸（直径260 μm）和柔性部署特性，使其可集成至现有电池包设计中，尤其适合风冷模组。
     
   • 通过早期热事件检测（如设定30°C阈值），可预防热失控，提升下一代电池系统的可靠性。
     

研究亮点
1. 方法创新：采用OFDR技术实现毫米级空间分辨率的分布式温度监测，优于现有FBG（光纤布拉格光栅）的离散测量。
2. 跨学科验证：结合CT、红外热成像和电化学分析，多维度验证热异常的物理成因。
3. 工程指导意义：指出商用BMS传感器布局的不足，提出高密度温度监测的必要性。

其他发现
- 滥用测试中观察到的电压突降（图4标记1）与锂镀层引发的局部短路相关，此现象通过后验电极分析得到证实。
- 非测试电池（Z5-Z8）因热扩散温度升至40-51°C，凸显模组内热管理的复杂性。

此研究为电池安全监测提供了新范式，其技术路线可扩展至其他储能系统。