【OFDR案例】采用螺旋--蛇形部署的分布式光纖傳感器：實現(xiàn)袋式鋰離子電池高精度全場溫度重建與熱管理

  一.概述

  鋰離子電池在電動汽車與儲能系統(tǒng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，對熱管理安全性提出嚴苛要求。本文基于光頻域反射技術(shù)的分布式光纖傳感器(DOFS)，通過螺旋--蛇形布線實現(xiàn)電池全表面溫度精準監(jiān)測，結(jié)合局部自適應(yīng)徑向基函數(shù)插值與不確定性量化方法，解決傳統(tǒng)傳感技術(shù)離散測量、信息缺失的痛點，為電池?zé)峁芾韮?yōu)化提供可靠支撐。

  二、測試方案

  傳感器配置：采用PI涂層+PFA套管封裝的溫度型DOFS(T-DOFS)，光纖直徑165μm，套管外徑1.15±0.05mm，最小彎曲半徑15mm，通過瑞利散射頻率偏移實現(xiàn)溫度感知，靈敏度達0.66℃/GHz(R2=99.9%);

  部署方式：采用螺旋蛇形布局，沿電池寬度方向以S形連續(xù)布置，轉(zhuǎn)彎處采用40mm直徑標準半圓設(shè)計，通過3MDP-125高模量環(huán)氧膠點涂固定，輔以PI膠帶二次加固，總光纖長度0.991m;

  校準與驗證：在電池表面關(guān)鍵位置部署3個±1℃精度的T型熱電偶，通過制冷劑局部降溫法完成21個特征點坐標校準，確保光纖測量點與物理位置精準映射。

采用螺旋蛇形分布式光纖傳感器的NCM電池示意圖

  測試設(shè)備：OSI-DOFDR光纖動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

  測試工況：在25℃恒溫環(huán)境下，采用CC-CV充放電協(xié)議，分別以0.5C、1C、1.5C倍率測試，充放電截止電壓2.8~4.25V，每階段測試后靜置180min達熱平衡。

集成動態(tài)分布式光纖傳感與熱管理信息的測試平臺

  三、測試結(jié)果

  在實驗測試中，依托螺旋蛇形布置的T-DOFS及OFDR技術(shù)，實現(xiàn)了對電池全表面的連續(xù)溫度監(jiān)測，其溫度測量精度達±0.1℃，空間分辨率可達1.28毫米;同時，借助空間映射方法和插值算法，成功完成了電池表面溫度分布的高保真精準重建，為電池?zé)峁芾砉ぷ魈峁┝巳媲以攲嵉臏囟刃畔⒅巍?

  不同電流下各電池區(qū)段的表面溫度變化

  25℃環(huán)境溫度與1℃倍率下重建溫度與實際溫度的對比

  采用雙U形布局在25°C環(huán)境溫度下的溫度重建結(jié)果與誤差分析。

  每個子圖組包含：左上角顯示給定SOC狀態(tài)下的電池重建表面溫度;左下角展示重建標準偏差;右上角和右下角分別呈現(xiàn)置信區(qū)間(CI)的可視化上界和下界

  四.實驗結(jié)論

  本研究依托OFDR技術(shù)搭建T-DOFS監(jiān)測系統(tǒng)，通過創(chuàng)新的螺旋蛇形分布式光纖布局方案，成功突破了傳統(tǒng)離散測量點的局限，實現(xiàn)了大容量軟包電池表面的原位全范圍溫度采集，完成了從點級傳感向全表面溫度監(jiān)測的跨越，該方案能為電池?zé)峁芾韮?yōu)化提供全面且有價值的監(jiān)測數(shù)據(jù);結(jié)合OFDR監(jiān)測數(shù)據(jù)所開發(fā)的自適應(yīng)溫度場重構(gòu)方法，在不同條件下均展現(xiàn)出優(yōu)異的表征性能，搭配不確定性量化手段進一步保障了數(shù)據(jù)可靠性，其溫度重建結(jié)果的最大標準差可控制在0.3℃以內(nèi)。

  原文來自：

  標題：《Utilized Distributed Optical Fiber Sensor with Spiral-Serpentine Deployment Enabling High-Precision Full-Field Temperature Reconstruction and Thermal Management for Pouch Lithium-Ion Battery》

  作者：Yuhao Zhu, Xiaoqiang Zhang, Yunlong Shang,* Miao Yu, Xin Gu, Jinglun Li, and Linfei Hou

  期刊：Adv. Sci. 2025, e11030 e11030

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