基于柔性传感技术，在不同工作条件下，单颗锂离子电源霍克蓄电池的嵌入式内部温度测量

本文研究了锂离子电源电池组在不同工作条件下的温度特性，特别关注电池组内单电池的温度不均匀性。利用柔性薄膜热电偶传感技术，结合仿真和分析方法，通过嵌入式方法测量电池组中代表性电池单元的内部温度，以准确反映电池在不同充放电条件下的热行为，特别是动态变化的NEDC工作条件。 通过基于电化学热力学理论构建热产生模型，系统地探讨了不同充放电重度、SOC和环境温度对电池温度分布的影响。结果显示，在动态条件下，测得传感器值与模拟的偏差可达2.6°C，这凸显了实时监测的必要性。在低SOC和高速率充放电条件下，电池的热量可达4.2瓦，温度波动较大，尤其是在低温环境下。此外，低温环境结合外部加热，电池放电能力可提升48.6%。本研究为进一步优化电动汽车中锂离子电池组在动态运行条件下的热管理提供了理论支持和技术参考。

简介

随着全球绿色发展格局的进一步加深，减少二氧化碳排放以减轻温室效应变得势在必行[1]，而传统燃油车的尾气排放是空气污染和环境破坏的来源之一，新能源车辆可以有效减少传统化石燃料的使用和温室气体排放， 使它成为一种更环保的旅行方式[2,3]。目前，全球新能源汽车，尤其是电动汽车的销量逐年增长，2022年全球电动汽车销量超过1000万辆，比上一年增长60%。这一趋势在中国和欧盟等主要市场尤为明显，2022年每四辆车销量中就有一辆是电动汽车;在欧盟，每五辆车中就有一辆是电动汽车[4,5]。锂离子电池因其高能量密度、长寿命和稳定性，常被应用于电动汽车，非常适合能源储存和电力应用。这些电池备受青睐，因为它们提供了高效且持久的能源解决方案，对电动汽车的性能和可靠性至关重要。锂离子（Li-ion）电池技术的持续进步不断提升其能量密度和耐用性，进一步巩固了其在电动汽车市场的地位[6,7]。尽管锂离子电池有诸多优势，但其性能仍受温度强烈影响，这可能限制其效率和安全性。在高温下，锂离子电池会加速劣化，导致容量损失和热失控风险增加，如失控反应导致火灾或爆炸。相反，低温会增加电池内阻，降低电池容量，并影响电池功率输出，尤其是在电动汽车中。研究表明，锂离子电池的最佳工作温度范围通常在−20°C到60°C之间。 偏离该范围会严重影响电池性能和寿命。因此，温度管理对于确保锂离子电池的安全性、性能和寿命至关重要，尤其是在电动汽车等需要可靠运行的应用中[8]。由于锂离子电池的热特性，其内部和外部之间存在温度梯度。因此，在地表测量可能偏离内部产生热量水平。内部温度可能显著升高，尤其是在快速充电或重负载时[9]。目前用于测量和估算内部温度的方法包括硬传感器和软传感器[10]。在硬传感器中，热敏电阻（NTC/PTC）具有高精度（±0.1–0.2 °C）和快速响应特性。然而，其狭窄的温度范围（−20–120°C）以及易受电解质腐蚀长期劣化的影响，限制了其在恶劣电池环境中的适用性[11]。电阻温度检测器（RTD）虽然在更宽的温度范围内（−50–400°C）稳定，但由于其相对较大的尺寸（厚度为0.9–1.0毫米），可能会干扰电池内部结构[12]。光纤传感器，如光纤布拉格光栅（FBG），具有抗电磁i等优势干扰和分布式多点测量能力。然而，其复杂的安装过程和高昂的成本为广泛采用带来了重大挑战[13,14]。非侵入性方法如电化学阻抗谱（EIS）消除了对电池物理侵入的需求。然而，其准确度高度依赖于操作条件，误差可达±2.5°C，且高度依赖辅助模型进行温度估计[15]。相比之下，薄膜热电偶因其微型化尺寸（直径<0.5毫米）、宽的温度范围（−75–260°C）、快速响应（时间常数35毫秒）以及成本效益高，成为嵌入式温度测量的理想解决方案[16,17]。此外，热电偶不需要外部电源，因此特别适合在动态操作条件下捕捉瞬态温度变化[18]。此外，嵌入热电偶传感器用于电池内部温度测量已被验证为可行方法，在性能与实用性之间实现了平衡[17,19]。Li等人于2013年将定制薄膜热电偶插入大型层压电池进行多点温度测量，并在较长时间内验证了该方法的可行性[16];Lee 等人于2013年制造了自己的微型热电偶，通过刨床收集阳极片、阴极板和铝集电极表面的温度数据，监测锂离子电池模块的温度[20];2014年，Mutyala等人引入了一种在玻璃基板上制造聚酰亚胺嵌入TFTC传感器的方法，随后将其转移到薄铜箔上。该转移过程可无缝集成软电池组装，具备整合电池管理系统（BMS）的潜力。[12];2017年，Lee等开发了一种集成微传感器，用于实时监测锂离子电池内部的局部温度、电压和电流[21];2020年，Zhu等人提出了锂离子电池内部多点原位测温方法，并验证了电池的电化学性能[22];2022年，Gulsoy等人提出了一种系统方法，并定制了一种独特的温度测量夹具，用于嵌入温度传感器的圆柱形电池温度测量，与未改装电池相比，电化学性能无显著变化，内部电阻仅略有增加[11];2023年，Ling等人采用高通量选择方法，通过集成铜镍合金薄膜传感器与集电流器，监测锂离子电池的内部温度[23];2024年，贾等人在18650型圆柱形锂离子电池电池内放置热电偶传感器，并选定了六个对应内外温度的温度测量点，建立基于内外温度的锂离子热失控预警模型[24]。
然而，目前大多数研究者关注电池组整体的温度管理或单个电池的热特性，而忽视了电池组内单个电池组的热量产生。锂离子电池的热特性在单个电池单元和整个电池组之间差异很大。这种差异由多种因素引起，包括电池组内的热量产生、分布和耗散。当电池单元组合成电池组时，热相互作用可能导致温度不均，影响电池组的整体性能和安全性。例如，在电池组中，某些电池的温度可能高于其他电池，导致热点形成，如果管理不当，可能导致加速老化甚至热失控。因此，有必要监测电池组内单个电池单元的温度。为此，本文首先通过模拟确定了代表性单电池的位置，随后通过薄膜热电偶传感器的制造，并嵌入电池内部电池在不同操作条件下（如近离子电加热器）进行充电和放电温度测量实验，通过测量电池温度变化率、热产生速率， 电池的内阻充电和放电，以进一步探索加热情况。