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基于光纤布拉格光栅阵列的314Ah储能HAWKER蓄电池时空表面温度-应变场同步监测

摘要

锂离子电池在运行过程中会发生热-力耦合响应，这与其安全性和可靠性密切相关。然而，同时监测大尺寸方形电池的表面温度和应变场仍具挑战。本研究开发了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）阵列的双参数传感系统，用于同步测量314 Ah磷酸铁锂电池在不同功率条件下充放电循环过程中的温度和应变。通过测量数据重建了连续的表面温度和应变场，以研究其时空演化。结果表明，温度和应变分布之间存在显著差异，且动态响应不同步。在空间上，随着功率增加，温度热点向中心区域偏移，而应变极值向正极侧迁移，揭示了热机械响应中明显的空间异质性。在时间上，应变极值始终比温度峰值早出现数十到数百秒。这些发现为大容量锂离子电池的热机械耦合行为提供了直接的实验证据，建立了正常运行条件下的基准温度-应变分布，并为电池状态评估、热管理和早期故障诊断提供了宝贵的指导。

1. 引言

随着储能系统的不断扩展，大容量锂离子电池的运行安全性日益受到关注。在电池充放电和老化过程中，温度变化和结构应变是反映内部电化学反应、产热和材料体积膨胀的重要物理响应。现有研究主要集中在小规模电池上。相比之下，大容量储能电池体积更大，内部结构更复杂，其运行过程中的温度和应变空间分布不均匀性可能更为显著。对电池（尤其是大容量电池）进行温度和应变监测，对于储能系统的精细化热管理和状态诊断具有重要意义。
关于电池的温度和应变检测，传统传感方法在获取多维场信息方面面临重大局限。传统的基于点的传感器仅提供离散且局部的测量值，难以捕捉电池大面积表面上空间异质的热响应和机械响应[1,2,3,4,5,6]。虽然红外热成像技术能够实现温度分布的非接触式可视化，但它无法同时测量应变，且易受表面发射率、环境光干扰和电池变形的影响[7,8,9,10]. 这些局限性对于大容量电池尤为重要，因为在运行过程中可能会出现显著的温度变化和体积变化。因此，能够同时以高空间分辨率分辨温度和应变的感觉技术，对于表征电池热机械响应的时空演化非常理想[11].
与上述传统检测方法相比，光纤布拉格光栅（FBG）传感器凭借其体积小、波分复用能力、高灵敏度以及抗电磁干扰等特性，为解决这些传感局限性提供了一种极具吸引力的解决方案[12,13]。近年来，基于FBG的光纤传感技术已越来越多地应用于锂离子电池的原位监测[14]。例如，Sheng等人[15] 在圆柱形电池表面和内部构建了高密度FBG传感网络，以实现温度场的动态重建，而Zhang等人[16]则在软包电池上采用分布式光纤来监测充放电过程中的温度演变。更重要的是，近期的研究已将光纤传感扩展到大尺寸单体电池。例如，Zeng等人[11]构建了FBG传感器阵列，以监测商用280 Ah磷酸铁锂电池的内部温度演变₄棱柱电池在循环过程中表现出显著的温度空间变化。同一研究团队进一步将基于FBG的传感技术应用于280 Ah棱柱电池，进行原位内部压力监测，证明了其捕捉电化学诱导压力变化的能力，并能在过充条件下提供热失控预警[17]。这些研究表明，光纤传感能够为大容量锂离子电池提供宝贵的温度和机械信息。然而，现有研究主要集中在内部温度、压力或单一的机械响应上，而对大容量方形电池表面温度-应变耦合演化的系统性、空间分辨率表征仍然有限。特别是对于大容量磷酸铁锂电池₄对于内部堆叠结构复杂且采用刚性金属外壳的储能电池，其在充放电过程中表面温度与应变的同步空间分布及时间演化尚未得到充分研究。因此，开发能够同时映射大容量方形电池表面温度和应变场的光纤布拉格光栅（FBG）阵列，对于理解其热力学行为和识别空间局部异常响应具有重要意义。
为填补上述研究空白，本文旨在为314 Ah大容量方形磷酸铁锂（LFP）储能电池构建一种基于准分布式FBG阵列的温度-应变同步检测系统。本研究引入了基于特定封装设计的应变隔离策略，并结合系统性的交叉敏感性校准，有效克服了光栅的交叉敏感问题，实现了温度和应变参数的精确解耦。在此基础上，在选定的充放电过程中获取高时空分辨率的离散传感数据，并利用算法重建连续的表面温度和应变场。本文重点评估了不同工况下多场分布的非均匀性及其演化规律。这不仅为揭示大容量电池的热力耦合演化机制提供了新的实验证据，也为后续精细化热管理和多级安全预警策略的开发提供了重要的理论支持和工程参考。

2. 实验设置

2.1. FBG阵列设计

大容量储能电池在运行过程中表现出典型的热力耦合行为：电化学反应产生的内生热导致外壳温度升高，而材料膨胀和电极变形则引起表面应变同步增加。为了实现大容量储能电池充放电过程中温度与应变协同演化的实时监测，本文构建了一个高密度FBG矩阵阵列。采用对温度和应变均敏感的FBG传感器，并通过合理设计的空间排列结构，该阵列能够覆盖电池表面的主要区域，从而实现多维物理量的分布式测量。
如图1所示，为了实现电池表面的场分布检测，在电池表面构建了一个包含16个测量点的4×4 FBG阵列。
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图1。电池表面光纤光栅阵列布置示意图。
为了准确量化电池表面场的各向异性特征，本文结合了二维物理坐标系，将平行于电池底部的方向定义为轴，将垂直于极耳高度的方向定义为轴。Y-axis.

2.2. 温度-应变解耦

光纤布拉格光栅是一种基于布拉格衍射原理工作的反射式光学传感器。其核心由周期性折射率调制结构组成，可在特定波长范围内产生窄带反射。FBG的中心反射波长满足布拉格条件[18]

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