基于双腔匹配双孔光纤的电池温压波动监测技术研究

本文提出一种基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）腔匹配技术的微型光纤传感器，通过将双孔光纤（DHF）与光纤布拉格光栅（FBG）级联并集成无芯光纤（NCF）特性，实现对电池内部温度与压力波动的同步监测。该传感器利用游标效应协同放大微弱信号变化，在1.81 MPa测量范围内压力灵敏度达-20.1 nm/MPa，成功应用于5550 mWh单体电池不同充放电倍率下的内部气压与温度实时监测，为电池健康诊断与热失控预警提供了新型原位解决方案。

　　

Section snippets

Design of the sensor

锂离子电池内部空间结构紧凑且环境极端复杂。在电池正常放电过程中，电极区域会观察到微小的压力波动（通常为kPa量级），这些波动伴随着压力场与温度场耦合作用、腐蚀性介质共存等复杂条件。因此传感器设计需具备高灵敏度、抗干扰性和微型化特性。

Experimental setup

为评估传感器的双参数传感性能，搭建了如图5所示的温度与气压实验装置。实验系统由解调仪（SM125，波长分辨率1 pm）、温控箱和包含压力泵与数字压力计的压力控制系统组成。由于光学信号通过反射路径传输，传感器探头通过特种胶封技术固定在定制夹具中，确保在恶劣电池环境下的长期稳定性。

Conclusions

本研究针对储能电池复杂内部环境，提出基于游标效应的温压同步测量机制，开发出微型化可植入光纤传感器。实验结果表明：（1）传感器在1.81 MPa范围内呈现-20.1 nm/MPa的高对比度压力灵敏度；（2）通过FBG实现温度解耦，为电池多物理场监测提供新方法；（3）在模拟电池异常工况下实现毫秒级压力波动响应，显著提升热失控早期预警能力。

CRediT authorship contribution statement

Hang Zheng: 调研 Haoze Li: 调研 Xu Ma: 调研 Yirui Li: 调研 Zhouqi Ma: 原创草案撰写、软件、方法论、概念化 Qinpeng Liu: 审阅编辑、监督指导、方法论

Declaration of Competing Interest

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgments

本研究受西安市石油大学研究生创新基金（项目号：YCX2512070）和陕西省自然科学基金（项目号：2024JC-YBMS-530）资助。