螺旋蛇形分布式光纤传感器实现锂离子软包电池高精度全场温度重构与热管理

本文创新性地提出采用螺旋蛇形布局的分布式光纤传感器(DOFS)，实现了锂离子电池(LIB)表面温度的高精度全场监测。研究通过光学频域反射(OFDR)技术获得1.28 mm空间分辨率的温度数据，开发局部自适应径向基函数(LARBF)插值算法进行温度场重构，并结合不确定度量化(UQ)验证可靠性。相比传统热电偶(TC)、光纤布拉格光栅(FBG)等方法，该方案突破离散点测量局限，为大型动力电池热管理系统(BTMS)优化提供重要依据。

　　

引言：能源转型背景下的电池监测挑战

随着传统化石能源枯竭，锂离子电池(LIB)因其高能量密度和长循环寿命成为电动汽车(EV)和储能系统(ESS)的核心部件。然而，电池内部多物理场耦合特性导致复杂的热-机械-电化学行为，温度不均匀可能引发热失控。传统热电偶(TC)和光纤布拉格光栅(FBG)等点式测量方法存在空间分辨率低、抗干扰能力差等局限，难以满足大型动力电池的精准监测需求。

创新传感方案：螺旋蛇形DOFS布局

研究团队设计了一种新型螺旋蛇形分布式光纤传感器(DOFS)部署方案，采用聚酰亚胺(PI)涂层光纤封装在聚全氟乙丙烯(PFA)管中，总长度0.991 m沿电池宽度方向布置。通过光学频域反射(OFDR)技术实现1.28 mm空间分辨率，温度测量范围-60至250°C，精度±0.1°C。与传统的U型布局相比，该设计覆盖面积增加37.5%，有效解决了测量盲区问题。

温度演化规律与机理分析

实验采用BYD生产的80.7Ah三元(NCM)软包电池，在0.5C/1.0C/1.5C倍率下测试发现：

1. 1.

   低倍率(0.5C)时最大温差4.1°C，正极耳区域温度比中心区高1.2°C

2. 2.

   高倍率(1.5C)时正极耳附近出现52°C热点，较负极耳区域高13%

3. 3.

   温度非均匀性主要源于正极铝箔电阻(1.7倍于铜)和电荷转移过电位

先进重构算法与验证

开发局部自适应径向基函数(LARBF)插值算法，关键创新包括：

• •

  动态调整高斯核宽度(β=0.85)

• •

  引入k近邻(k=15)局部优化

• •

  不确定度量化显示95%置信区间

  与红外热像仪(IT)对比验证，重构误差<1°C，最大标准偏差0.28°C。小提琴图分析表明，SOC=80%时重建不确定性达到峰值。

热管理优化策略

基于全场温度数据提出三级优化方案：

1. 1.

   源头控制：采用激光焊接降低极耳接触电阻

2. 2.

   传热强化：在热点区域布置柔性石墨烯导热片

3. 3.

   主动冷却：正极耳区域优先布置液冷通道

   实验表明该策略可使1.5C充电时最大温差降低41.3%。

方法学突破

技术路线包含三大创新模块：

1. 1.

   一维映射：通过特征点(A-U)坐标转换实现光纤长度到2D空间映射

2. 2.

   SOC关联：基于电荷量(Q_t/Q_max)实现温度-SOC同步分析

3. 3.

   动态校准：采用制冷剂点接触法定位测量点，定位误差<0.5mm

结论与展望

螺旋蛇形DOFS布局结合LARBF算法，首次实现了大型动力电池全场温度监测，为智能电池发展提供关键技术支撑。未来将重点研究：

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  模块级温度场重构

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  嵌入式传感器封装工艺

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  多参数融合的健康状态评估

  该成果对推动"电池2030+"计划中的智能传感技术发展具有重要意义。

实验部分关键技术参数

测试平台采用自主研制的OSI-D光纤监测系统，主要参数：

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  采样频率：60Hz

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  空间分辨率：1.28mm

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  传感长度：20m

  电池在25°C环境舱中进行CC-CV测试，每个倍率测试前静置180分钟确保热平衡。通过3个T型热电偶(TC)交叉验证，最大偏差<0.3°C。