基于分布式光纤传感的电池模块空间温度测量与热异常检测新方法

本研究针对锂离子电池模块热行为监测的难题，创新性地采用分布式光纤传感器(FOS)结合光学频域反射技术(OFDR)，实现了2.6 mm空间分辨率的高精度温度分布测量。通过与AD590传统传感器和红外热成像对比，证实FOS可提前30分钟检测到80°C级热异常，为电池管理系统(BMS)早期预警提供关键技术支撑。

　　

随着电动汽车和储能系统快速发展，锂离子电池(LIB)的热安全问题日益凸显。当前电池管理系统(BMS)普遍采用稀疏布置的AD590等点式温度传感器，难以捕捉局部热异常。更棘手的是，电池模块中单个老化电池引发的热失控可能被传统传感器漏检，正如丰田普锐斯等车型模块仅配置2-3个传感器的现状所示。这种监测盲区可能导致严重事故，亟需开发高空间分辨率的温度测量技术。

针对这一挑战，国外研究团队在《Journal of Energy Storage》发表创新成果。研究人员设计了一套集成三种测温技术的4p3s电池模块实验平台：常规AD590传感器（采样率10 Hz）、FLIR Lepton 3.5红外热像仪（160×120像素）和Luna Innovations公司的ODiSI 6104光纤传感系统（空间分辨率2.6 mm）。特别在12个Terra30E电池中植入1个预老化电池（SOH<70%），通过循环测试和定制滥用实验（包括15°C低温充电），结合CT扫描和手套箱解剖等后分析方法，系统评估了不同监测技术的性能差异。

关键技术方法包括：1）采用Rayleigh散射原理的OFDR技术实现连续分布式测温；2）模块级4p3s电池组设计，集成11新电池与1老化电池；3）同步采集传统传感器、光纤和热成像数据；4）μCT（30 μm/voxel）和扫描电镜用于电极表征。

【Moduletest】
电循环数据显示老化电池Z2在滥用测试中产生显著容量衰减（剩余56%），而常规传感器仅记录到38.2°C的温升。与之形成鲜明对比的是，光纤传感器在Z2表面检测到88.3°C的峰值温度，热成像也捕捉到50°C级热点。

【X-ray imaging】
CT扫描揭示老化电池存在独特的 jelly roll（电池卷芯）变形特征：Z2在4层内圈出现明显皱褶，阴极集流体厚度变化达30 μm，而未老化电池Z11结构完整。这种变形与热异常位置高度吻合。

【Post mortem】
手套箱解剖发现Z2阳极存在大面积锂枝晶沉积，呈现条带状分布特征。值得注意的是，虽然Z4在测试中经历86°C高温，但其容量保持率（85%）仍高于Z1（78%），表明温度并非老化唯一决定因素。

研究结论揭示三个关键发现：首先，光纤传感技术可识别传统方法遗漏的40°C级温差；其次，预老化电池在0.5C充电时会产生自发放热，导致电压骤降和80°C级局部高温；最重要的是，OFDR系统能提前15-20分钟预警热异常，较传统传感器响应速度提升30分钟。

该研究的突破性在于将光纤传感的空间分辨率（2.6 mm）与电池单cell尺寸（18 mm直径）匹配，首次实现模块级亚细胞精度测温。虽然未直接集成到BMS，但研究者指出该技术特别适合特斯拉等空冷模块系统。未来若实现250 Hz采样率的实时数据处理，将大幅提升下一代电池系统的安全阈值。正如讨论部分强调的，这种"温度显微镜"技术为解析锂枝晶生长与热失控的时空关联提供了全新研究工具。