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作者及发表信息

本研究由Keith M. Alcock（通讯作者）、Markus Grammel、Álvaro González-Vila、Leonardo Binetti、Keng Goh和Lourdes S. M. Alwis合作完成，作者单位包括英国爱丁堡龙比亚大学（Edinburgh Napier University）、比利时蒙斯大学（University of Mons）以及西班牙巴斯克研究与技术联盟（BRTA）旗下的Ikerlan技术研究中心。研究论文发表于期刊《Sensors and Actuators: A. Physical》2021年第332卷，标题为《An accessible method of embedding fibre optic sensors on lithium-ion battery surface for in-situ thermal monitoring》，在线发表于2021年9月1日。

学术背景

研究领域：本研究属于新能源与传感器技术的交叉领域，聚焦锂离子电池（Lithium-Ion Battery, LIB）的热管理问题。

研究动机：锂离子电池在电动汽车（EV）、航空航天等领域广泛应用，但其安全性受温度影响显著。电池温度异常可能导致热失控（thermal runaway）或性能衰减。传统温度监测技术（如热电偶）存在局限性，而光纤传感器（Fibre Optic Sensor, FOS）因其电绝缘性、抗电磁干扰和高密度多路复用能力成为潜在替代方案。然而，现有FOS安装技术易受电池膨胀导致的应变干扰，影响温度测量精度。

研究目标：提出一种新型光纤传感器安装方法（“引导管”技术，guide-tube），通过减少应变干扰，实现锂离子电池表面温度的精准原位监测，并验证其优于传统粘接法的性能。

研究流程与方法

1. 传感器制备与标定

• 光纤光栅（FBG）制备：使用NorthLab Photonics的FBG制造系统，在氢载单模光纤（SMF-28）上刻写5个FBG传感器，长度均为5 mm，波长间隔为1524.1–1564.1 nm。通过紫外激光（193 nm）和相位掩模技术完成刻写，随后在100°C下退火36小时以稳定性能。
  
• 热电偶标定：采用K型热电偶（Reveltronics EGT-K放大器）作为基准，其电压-温度转换精度为±1.5%。
  

2. 传感器安装方案设计

研究对比两种安装技术：
- 配置A（传统粘接法）：光纤两端用氰基丙烯酸酯胶（M-Bond 200）固定于电池表面，FBG区域留松弛以避免直接应变。
- 配置B（引导管法）：仅一端粘接，另一端通过PVC引导管固定，允许光纤自由伸缩以消除电池膨胀引起的应变。

3. 实验与数据采集

• 研究对象：松下NCR18650B圆柱形锂离子电池（与特斯拉Model S同款电芯）。
  
• 充放电协议：以10瓦恒定功率（CW）放电，使电池表面温度升高约14°C，模拟实际工况。
  
• 数据同步采集：
  
  • FBG波长偏移通过Micron Optics® SM125解调仪记录（采样率2 Hz）。
    
  • 热电偶温度通过Picolog® 1012数据记录仪采集（采样率2 Hz）。
    

4. 数据分析

• 温度计算：根据FBG波长偏移（Δλ）与灵敏度系数（K），按公式 ( T = (\lambda - \lambda_0)/K ) 推导温度。
  
• 误差分析：对比FBG与热电偶的测量差异，评估引导管法的精度提升。
  

主要结果

1. 校准阶段：配置A的FBG在10–40°C范围内灵敏度为8.90–9.16 pm/°C，标准差≤6.4 pm（表1-2），验证了传感器的线性响应。
   
2. 温度测量对比：
   
   • 配置A：FBG测量误差达±4.25°C（最大差异8.5°C），因电池膨胀导致应变干扰。
     
   • 配置B：误差降至±2.13°C，引导管有效隔离应变，FBG数据与热电偶一致性显著提高（图7-8）。
     
3. 动态响应：放电电流增加时，引导管法的FBG温度曲线与热电偶高度吻合（图5），证实其适用于瞬态工况。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出了一种低成本、易实施的FBG安装技术，无需复杂金属/玻璃套管即可实现应变解耦。
- 为锂离子电池单体级温度监测提供了新方案，支持高密度传感器布局（单光纤多FBG），优于传统模块级监测。

应用价值：
- 可集成至电动汽车电池管理系统（BMS），提升热失控预警能力。
- 减少化学粘合剂使用，降低电池封装复杂度，适合规模化应用。

研究亮点

1. 创新方法：引导管技术首次应用于圆柱形LIB的FBG安装，解决了应变-温度耦合问题。
   
2. 性能优势：将测量误差从±4.25°C降低至±2.13°C，精度提升50%。
   
3. 工程友好性：无需定制化设备，兼容商用FBG和电池型号，易于产业推广。
   

其他有价值内容

• 研究揭示了LIB表面温度分布均匀性（热电偶间差异<0.32°C），为传感器布局优化提供依据。
  
• 未来可进一步优化FBG长度与引导管材料，以匹配更高功率电池的监测需求。
  

（报告总字数：约1500字）