股票配资是 光纤光栅传感器在热失控场景中的应用_电池_温度_过程

发展新能源汽车是实现低碳环保目标的重要手段，据国家公安部统计，截止2022年底，全国新能源汽车的保有量已经突破1310万辆，占汽车总量的4.1%，近五年来新能源汽车保有量统计如图1所示。锂离子电池作为新能源汽车结构的重要组成部分，其性能及管理技术的发展水平是制约新能源汽车推广的关键因素。2020年国务院办公厅在《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中明确电池技术为新能源汽车的核心技术攻关工程。作为一个电化学储能介质，锂离子电池通过正、负电极上的氧化还原反应实现电池充放电，在高功率条件下会产生大量的热量，热量蓄积会使电池温度快速升高，较高的温度又会加速电池内部的电化学反应，进而导致电池温度过高或温差过大，严重将会触发电池热失控[1]。近年来，随着新能源汽车保有量的迅速增长，车辆自燃、起火事故也进入了高发期。据国家应急管理部统计，2022年一季度新能源汽车起火事故高达640起，同比上升32%。因此，为保证电池系统能够高效、安全、可靠运行股票配资是，各国政府、企业以及科研院所更加重视锂离子电池的热安全问题并不断加大相关课题的攻关力度。

图1 2018年-2022年中国新能源汽车保有量变化情况

02 锂离子电池热失控机理

动力电池热失控是指电池单体由机械滥用、电滥用以及热滥用等滥用工况单独或共同耦合诱发电池内部发生链式反应，从而引起电池温度不可控上升的现象，其主要诱发因素如图2所示。机械滥用是指电池在挤压、针刺和其他能引起电池发生机械损伤和机械变形的应力下，内部隔膜被破坏使电池发生内短路，释放大量焦耳热，进而导致电池热失控。电滥用主要包括外短路、过充和过放，三者引发热失控的过程和机理完全不同。外短路主要是欧姆热引发电池内部温度升高和外电路电流增加；过充引发电池热失控的主要原因是该过程导致电池内阻急速增加所产生的大量焦耳热以及副反应所产生的大量反应热；而过放电的主要作用机理则是该过程会导致大量锂离子从负极脱出嵌入正极，使得负极电位不断升高，从而导致铜集流体发生溶解，溶解的铜离子在电池内部迁移并沉积形成铜枝晶，造成电池内短路。对于电池热滥用工况，除由机械滥用和电滥用发展而来之外，内部元件之间的接触问题也会引发热滥用。

图2 锂离子电池热失控的主要诱发因素[4]

近年来，国内外学者基于大量的实验探究、机理分析及安全策略对动力电池的热失控现象进行分析，并初步建立热失控触发机制、演化模型及安全预警机制[5]。对于锂离子电池热失控机理，主要认为是在滥用工况下，电池温度异常升高，引发电池内部材料发生链式反应而得不到有效控制，其热失控过程中的链式反应如图3所示。在电池温度升高过程中，最先分解的是热稳定性最差的固体电解质界面（Solid Electrolyte Interface, SEI）膜，且分解过程为放热反应，进而促使电池温度进一步升高。由于SEI膜的不断分解，失去SEI膜保护的阳极与电解液在高温下直接接触，发生化学反应并放出大量副反应热。当电池内部温度达到130℃（隔膜材料为PE）或170℃（隔膜材料为PP）时，隔膜开始分解，该过程为吸热反应，进而导致电池升温速率减慢。随着链式反应进行，电池内部温度持续升高，阴极材料开始发生分解，并伴随巨大热量的产生，进而导致电池内部温度呈指数上升。过多的热量积累进一步导致电解液分解、燃烧，生成的气体被加热后冲破壳体，发生物质喷射甚至燃烧。

图3 锂离子电池热失控过程中的链式反应[4]

03 锂离子电池热失控预警

通过探究电池内部温度、压力以及气体等参量与热失控演化过程的内在联系，建立基于特征参量的热失控预警机制，对电池安全使用具有重要意义。

3.1 温度参量

基于锂离子电池热失控过程中的温度特性曲线，Feng等人选取了3个特征温度（T1、T2、T3）作为热失控过程的参考点，如图4所示。认为温度T1是电池内异常产热的起始温度，反映的是电池整体的热稳定性；温度T2是电池热失控的触发温度，该温度对评估电池热安全性至关重要；温度T3是电池热失控过程中能够达到的最高温度。因此，实时监测电池温度是实现电池热失控早期预警的常用方法。杨赟等人[7]利用红外温度感应器监测电池表面温度以期实现电池热失控预警，但研究发现在热失控过程中，锂离子电池内外存在较大温差（约100℃），故仅测量电池表面温度并不能准确实现热失控早期预警[8]。Parhizi等[9]利用表面温度和化学动力学数据确定热失控过程中电池的核心温度，实验结果证明该方法与热电偶独立测量的结果具有较高的一致性。目前，电池温度监测常用的技术有红外热成像、热电偶、FBG光纤传感器以及电阻式温度传感器（RTD）等。

图4 锂离子电池热失控过程中的温度演变规律[6]

3.2 气体参量

在热失控演化过程中，锂离子电池先后经历了SEI膜分解、负极-电解液反应、隔膜融化、正极分解、电解液分解与燃烧等过程，包含了多种气体的生成与反应。如，SEI膜的分解会伴随等气体的产生；在正极材料分解过程中，聚合物粘接剂PVDF与墨层中的嵌入锂发生化学反应会产生H2。图5总结了当前文献针对不同正极材料体系的锂离子电池热失控时气体生成情况的研究。王春力等人[10]通过分析电池热失控过程中气体成分含量，确定了将CO和温度作为典型监测依据实现电池热失控的早期预警。Jin等人[11]通过研究锂离子电池热失控过程中H2浓度的演变规律，开发了一种基于H2捕获的电池热失控监测办法，实验结果表明，H2捕获时间比电池冒烟早639s，比电池起火早769s，从而有效地实现了锂离子电池早期安全预警。气体成分原位实时表征方法常采用在线/微分电化学质谱技术（Online/Differential Electrochemical Mass Spectrometry, O/DEMS），原位拉曼光谱（In-situ Raman Spectra, IRS）和非色散红外气体传感器（Nondispersive Infrared Gas Sensors, NDIR）监测气体成分随电位和时间演变情况。

图5 文献中报道的不同材料体系及工况下锂离子电池气体成分

3.3 压力参量

锂离子电池在充放电循环过程中，大量的锂离子嵌入/脱出活性材料，使活性材料产生晶体结构和晶格大小的变化以及晶相和非晶相之间的相变，从而导致活性材料发生膨胀或收缩。由于正负极片间厚度膨胀收缩比例不同，进而导致极片间产生压力，且随着电池荷电状态和健康状态等发生变化。但在滥用工况下，由于锂离子电池内部产生的大量气体导致电池膨胀并发生明显变形。因此，通过设定电池压力正常变化范围，并结合传感器实时监测电池压力，可对电池热失控进行有效预警[8]。Koch等人[12]使用包括压力传感器在内的多种传感器监测电池热失控行为，如图6所示，实验结果表明所有传感器均有明显变化，且压力传感器比温度传感器提前5s检测到热失控。电池压力参量可通过FBG光纤传感器、薄膜应变传感器等传感器技术实时获取。

图6 锂离子电池热失控过程中的压力演变规律

04 基于光纤传感器的参量获取

通过探究电池内部温度、压力以及气体等参量与热失控演化过程的内在联系，建立基于特征

光纤传感器是通过光与物质之间的各种相互作用（如：衍射、吸收和散射）进行调制，从而提供多种传感机理。近年来，许多研究将光纤传感器应用于锂离子电池运行过程中温度、压力等参量的获取，进而实现电池状态监测以及安全预警。由于电池内部参量的获取对热失控准确预警至关重要，Fleming等[14]将光纤光栅传感器植入到18650电池中获取电池内部温度，实验结果表明该植入方法对电池的电化学性能影响不大，且能够明显监测到电池内外温差。黄云辉等[15]通过光纤传感器原位监测了三种不同转换机理的软包锂硫（Li-S）电池中正极应力的演变过程，系统地监测了硫基正极在三种不同机制下内部的化学-机械应力演化，所得到的信号变化与电极的结构演化和体积变化一致。此外，考虑到光纤传感器的交叉敏感性问题，在实际测量过程中，有必要将压力和温度等参量进行解耦[16]。Huang等[17]通过将松散排列的直径为150的并联的单模光纤光栅传感器(SMF－FBG)和具有微结构的光纤光栅（MOF－FBG）传感器插入到18650电池的卷芯中间将压力和温度解耦，得到电池内部温度，如图7（a）。为了原位测量锂离子电池运行过程中的应力/应变变化，Ganguli A等人[18,19]将FBG光纤嵌入石墨负极的表面，通过温度和应变的解耦，得到了石墨负极表面应变随SoC和循环老化的演变,如图7（b）。

图7 光纤传感器在锂离子电池参量获取中的应用

05 上海津镭基于光纤光栅传感器的电池监控预警系统

（1）无源监测，不产生电火花不受电磁射频干扰

（2）多参量，温度和形变监测

（3）分布式，全域无死角电芯级监测

（4）光学监测，无需显著增加电池尺寸和重量，无需复杂布线

图8 光纤光栅电池监控预警系统

综上所述，光纤传感器体积较小，灵敏度高，具有良好的弹性、绝缘性以及耐腐蚀性等优异性能。因此，在保证对锂离子电池电化学性能影响不大的前提下，可将其植入电池内部获取温度、压力等参量股票配资是，从而实现电池热失控实时准确预警。

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