基于雙包層光纖布拉格光柵傳感器的鋰電池組溫度場監控*

王浩 曹珊珊 蘇俊豪 徐海濤 王震 鄭加金3)? 韋瑋3)

1) (南京郵電大學電子與光學工程學院,南京 210023)

2) (中天科技光纖有限公司,南通 226009)

3) (南京郵電大學,江蘇省特種光纖材料與器件制備及應用工程研究中心,南京 210023)

鋰離子電池是當今最通用的儲能技術之一,鋰電池的可靠性和安全性一直是業界追求的目標,因此準確監控電池安全狀態顯得尤為重要.鋰電池內部的熱失控是一切鋰電池安全問題的根源,為克服目前鋰電池組溫度測量系統測溫精度不高,較高溫度下長時間工作穩定性不足等問題,本文提出了一種基于雙包層光纖布拉格光柵(FBG)的準分布式鋰電池組溫度監測系統.通過搭建4 通道16 個雙包層FBG 點位對18650 鋰電池組進行溫度場及鼓包形變監測,結果表明在0—450 ℃的溫度條件下可以精確確定由短路等問題產生異常溫度升高的點位,相應溫度靈敏度為10 pm/℃,分辨率達0.1 ℃,并且貼于鋰電池殼體表面的雙包層FBG 還可以監測電池殼體表面出現的鼓包形變現象,其縱向壓力應變靈敏度達142 pm/N.本文的雙包層FBG 準分布式鋰電池組溫度場監測系統既可以保證高精度的溫度、形變測量,同時具有良好的穩定性和抗干擾能力,表明本文的研究工作有望為鋰電池組的安全監測和使用提供可靠的理論與實驗依據.

1 引言

鋰離子電池是當今最通用的儲能技術之一,在新能源汽車、航空航天、無人機、電網等眾多行業和領域被廣泛地使用[1].這種日益增長的依賴性使得鋰電池的可靠和安全使用比以往任何時候都更加重要,從而促使了準確監控電池安全狀態的需求.鋰電池安全隱患通常表現為燃燒和爆炸,而這些表現有一個共同點就是電池內部的熱失控,這是一切鋰電池安全問題的根源.當鋰電池出現安全問題時,正極會出現活性物質分解、電解液氧化等反應,這些反應會產生大量的熱,電池內部表現為溫度異常升高[2].除此之外,一些外部環境(如擠壓、刺穿等)引起電池形變也會導致鋰電池的安全問題[3].換言之,對鋰電池的安全監測可以理解為對電池內部的溫度以及形變的監測,并且要求對電池內部溫度與形變測量的精度要盡可能的高.

光纖布拉格光柵(FBG)是一種通過一定方法使光纖纖芯折射率發生軸向周期性調制而形成的衍射光柵,基于FBG 的傳感是通過外界物理參量對光纖布拉格波長的調制來獲取信息.當環境溫度或應變發生變化時,FBG 的反射譜中心波長亦相應變化[4],利用FBG 的這種特性可對鋰電池內部溫度實現有效的監測.通過使用光波代替電流以及使用光纖代替銅線作為傳輸介質,FBG 光學傳感解決了許多使用電氣傳感需要面臨的挑戰和困難.光纖和FBG 光學傳感器都是絕緣體,具有被動性電學特性,且不受電磁感應噪聲影響[5].FBG 憑借著傳統電氣傳感器所不具備的抗電磁干擾強、電絕緣性好、成本低、小巧靈活等優點,在石油、化工、電力等領域具有廣泛的應用前景[6].目前,一般的溫度監測多基于普通單模光纖刻寫的FBG,其優點是成本低,但是對微應力變化不敏感[7],通常只能通過鋰電池的電極溫度來判斷是否存在安全隱患.

鑒于此,本文利用248 nm 準分子激光器以相位掩模法在一根雙包層光纖上刻寫多個不同反射中心波長的FBG,設計并搭建了一套基于雙包層FBG 的準分布式鋰電池組溫度傳感系統,實現了一個光學通道同時串聯多個FBG 傳感器對18650鋰離子電池組內溫度的精準測量.進一步利用雙包層FBG 其獨特的微形變敏感特性[8],對鋰離子電池組中可能出現的由外部擠壓造成的電池鼓包等安全隱患進行實時監測.本文的雙包層FBG 傳感器對溫度和應變的靈敏度比普通單模FBG 更高,且極大地減小了測試系統的體積、重量以及復雜度,可滿足鋰電池組的安全監測要求,有望為鋰電池組的安全監測和使用提供可靠的理論與實驗依據.

2 測試原理及實驗

2.1 鋰電池安全監測原理

鋰電池安全隱患通常表現為燃燒和爆炸,而電池內部的熱失控是一切安全問題的根源,不同溫度區間對應著不同的安全問題.當電池由于內部發生短路、外部加熱或者電池自身在大電流充放電等原因,使電池內部溫度升高到90—100 ℃,此時會導致鋰鹽LiPF6的分解[9].充電狀態的碳負極化學活性非常高,接近金屬鋰,在高溫下表面的SEI膜分解,嵌入石墨的鋰離子與電解液、黏結劑會發生反應[10],進一步把電池溫度推高到150 ℃,此溫度下又有新的劇烈放熱反應發生,如電解質劇烈分解生成PF5,PF5進一步催化有機溶劑又會發生分解反應等[11],從而造成電池內部溫度的升高;當電池溫度達到200 ℃之上時,正極材料分解,釋放出大量熱和氣體,持續升溫.當溫度達到250—350 ℃時,嵌鋰態負極開始與電解液發生反應,此時電池進入鼓包階段,該過程進一步導致電池內部溫度再次升高,表現為電池熱失控,從而出現安全隱患,進入危險的爆炸失效階段.

目前對鋰電池組的安全監測主要包括電池電極和殼體的溫度檢測,以及長期工作狀態下殼體的微應變情況.當鋰電池的溫度、應力、應變等參量變化時,將引起FBG 的軸向應變,使其軸向分布的柵距發生變化,進一步導致其反射光譜中心波長改變.通過光譜分析儀或解調儀檢測FBG 反射光譜中心波長的變化,可間接監測外界環境參數的改變.電池充放電過程中,殼體溫度變化以及微應變都可以改變FBG 的中心波長,通過對FBG 進行金屬化封裝以隔絕應力影響,可實現對電池的溫度監測.當電池溫度變化時,FBG 的中心波長漂移Δλ和溫度變化ΔT的關系為[12]

式中,af為光纖的熱膨脹系數;ξ為光纖的熱光系數.殼體表貼的雙包層FBG 用于監測電池發生鼓包時產生的應力應變.出現鼓包時,采集波長信號會發生不同于同組其他串聯FBG 波長變化量,此時變化較大,推斷該點為電池鼓包處.通過該電極處溫度傳感器作為溫補,利用差值計算應力值.當電池鼓包時,FBG 的中心波長漂移Δλ和應變Δε的關系為[13]

式中,Δλ1為電極處FBG 中心波長變化量;Pe為光纖的彈光系數.而在一根光纖上刻寫多個不同中心波長FBG,可以對鋰電池組進行多點準分布式溫度和應變測量,達到對鋰電池組的有效安全監測的目的.

2.2 系統構成和實驗

圖1(a)為雙包層光纖端面結構光學顯微照片,由內至外分別為纖芯、內包層、外包層以及涂覆層.實驗中所用FBG 均為相位掩模法刻寫所得.具體為將普通單模光纖和雙包層光纖在高壓載氫裝置中載氫增敏處理168 h,再利用248 nm 準分子激光器(COMPexPro205,Coherent)以一定周期相位掩模板刻寫獲得FBG,進一步對光纖光柵進行封裝,隔絕應力影響,如圖1(b)所示.FBG 的溫度傳感特性由圖1(c)所示FBG 溫度應變測試系統進行測量,主要包括寬帶光源(Koheras)、光譜儀(AQ6370D,Yokogawa)、高溫管式爐(OTF-1200X-S,合肥科晶)、光環形器、等高位移平臺等組成.寬帶光源發出光波通過1 端口進入光環形器,通過2 端口到達待檢測的FBG,FBG 反射特定波長光通過環形器3 端口進入光譜儀.利用管式爐通過一定的升溫程序對FBG 進行加熱,利用光譜儀掃描反射譜得到環境溫度信息,實現對FBG 的溫度靈敏度和響應特性的測試.進一步,將2 端口與位移平臺連接,通過表貼式方法,對FBG 進行應變靈敏特性測試.

圖1 (a) 雙包層光纖結構;(b) 封裝FBG 溫度傳感器;(c) 溫度應變響應反射譜實時測試裝置Fig.1.(a) Double clad fiber structure;(b) encapsulated FBG temperature sensor;(c) real-time measurement device of reflectance spectrum for temperature and strain response.

鋰電池模組溫度監測系統如圖2(a)所示,系統主要由解調儀、FBG 傳感器、監測上位機等構成.所用解調儀共4 個光學通道,掃描速率為100 Hz,波長范圍為1528—1568 nm,解調精度為 ± 1 pm.解調儀解調FBG 陣列波長信號后,通過數據鏈路傳輸至監測上位機,對應標準化信息后可得到相應的實時環境溫度情況.實驗中電池模組為18650 鋰離子電池模組,解調儀每個通道串聯4 個雙包層FBG,分別標記為FBGmn(m為通道數,n為序列數),其中1,2,3 號通道用于鋰電池溫度監測,4 號通道用于鋰電池殼體表面鼓包應變監測,布設方式如圖2(b)所示.具體實驗中為增大接觸面熱流通,減小熱量堆積損傷電極,FBG 傳感器外部涂敷導熱硅脂,并用HBC-1096 高溫膠將雙包層FBG 表貼于鋰電池正極上,以監測電池模組溫度和應變情況.

圖2 (a) 鋰電池組溫度監測系統示意圖;(b) 18650 鋰電池組雙包層FBG 布設示意圖Fig.2.(a) Schematic diagram of lithium battery pack temperature monitoring system;(b) layout diagram of 18650 lithium battery pack double clad FBG.

3 結果與討論

圖3(a)為相同載氫和刻寫條件下單模FBG和雙包層FBG 的反射和透射光譜圖,從圖中可知,單模FBG 的反射光譜中心波長為1548.18 nm,3 dB 帶寬為0.28 nm,反射率為64.5%,雙包層FBG的反射光譜中心波長為1546.52 nm,3 dB 帶寬為0.24 nm,反射率為36.9%.也即相同條件下,相比單包層FBG,雙包層FBG 的反射光譜中心波長紅移了約2 nm,且其反射強度亦較低.分析可能是由于雙包層光纖與普通單模光纖結構差異所致,雙包層光纖由于有內、外包層的存在,游離狀態的氫單質滲入纖芯的量比進去普通單模光纖纖芯的量少,光敏性較差.因此在相同情況下,相較單模FBG,雙包層FBG 的反射率較低[14].通過提高約33.3%的248 nm 激光曝光能量(或延長相應曝光時間),可得到與單模FBG 相同的反射率,結果如圖3(b).表明相同反射率時,雙包層FBG 需更強曝光能量或更長曝光時間.

圖3 (a) 相同載氫和刻寫條件單模和雙包層FBG 光譜;(b) 相同反射率單模與雙包層FBG 光譜Fig.3.(a) Single mode and double clad FBG spectra under the same hydrogen loading and writing conditions;(b) single mode and double clad FBG spectra with the same reflectivity.

圖4(a)和圖4(b)分別給出了相同反射率單模和雙包層FBG 在不同溫度下的反射光譜隨溫度的變化關系.從圖4(a)和圖4(b)中明顯地可以看出,隨著溫度從100 ℃逐漸升至400 ℃,單模和雙包層FBG 反射光譜中心波長均逐漸紅移,反射強度均逐漸下降.圖4(c)進一步給出單模和雙包層FBG反射強度與溫度的定量關系,可知這兩種FBG 的反射強度與溫度均呈一定的線性關系,均隨溫度升高而逐漸降低,但兩者的衰減程度不同,前者衰減約1.85 dB,后者衰減約1.394 dB,也即雙包層FBG 具有更好的溫度穩定性.圖4(d)為從室溫以10 ℃/min的速度升至1000 ℃時,雙包層FBG 反射峰強度隨時間變化圖,從圖中明顯可以看出,隨著溫度升高,尤其600 ℃后,FBG 的反射強度迅速下降,至973 ℃甚至完全消除;圖4(e)為恒定溫度下雙包層FBG 反射峰值強度隨時間的變化關系,從圖中可知,FBG 在250,350 和450 ℃這3 個較高溫度下10 h 長時間工作時,其反射強度隨時間均存在逐漸衰弱現象,且溫度越高衰退越快.FBG 的熱衰退實驗結果表明,FBG 所處環境溫度越高或在較高溫度下工作時間越長,其光柵衰退越快,這個過程稱為光柵衰退現象[15].衰退現象較緩的光柵使用壽命更長,表明雙包層FBG 相比于普通單模FBG 更有利于長期穩定工作.

圖4(f)是單模和雙包層FBG 的溫度靈敏度測試結果.從圖4(f)中可以看出,在從室溫至300 ℃升溫過程中,單模和雙包層FBG 的反射光譜中心波長隨溫度變化均具有良好的線性關系.而溫度進一步上升到400 ℃時,發現單模FBG 的反射光譜中心波長偏移約2.79 nm,線性擬合函數為y=0.00932x+1547.93777,可得靈敏度為9 pm/℃;相應雙包層FBG 的中心波長偏移約4.1 nm,線性擬合函數為y=0.01082x+1545.7362,靈敏度為10 pm/℃.相比而言,雙包層FBG 的溫度靈敏度稍好于單模FBG,且其線性擬合度更好,誤差情況更小,也即雙包層FBG 測溫準確性更高.

圖4 單模和雙包層FBG 不同溫度下光譜圖 (a) 單模FBG 反射光譜演變;(b) 雙包層FBG 反射光譜演變;(c) FBG 反射峰值強度隨溫度的變化;(d) 升溫過程中FBG 反射峰值強度隨時間的變化;(e) 雙包層FBG 反射峰值強度在不同溫度下隨時間的變化;(f) FBG 中心波長隨溫度變化Fig.4.Spectra of single-mode and double clad FBG at different temperatures:(a) Reflection spectrum variation of single mode FBG;(b) reflection spectrum variation of double clad FBG;(c) variation of FBG reflection peak intensity with temperature;(d) variation of FBG reflection peak intensity with time during heating;(e) variation of double clad FBG reflection peak intensity with time at different temperatures;(f) FBG center wavelength varies with temperature.

雙包層FBG 溫度函數,通過擬合函數標定90,150 和200 ℃中心波長偏移量為0.974,1.623和2.164 nm.為便于測量,將同一光纖上雙包層FBG 中心波長差值控制在3 nm 左右,并通過FBGmn標記對應電池位置.若某點中心波長變化出現異常快速增長,其變化量大于其余點,或某點中心波長超過90 ℃標定波長,則判定為故障電池.為了更加準確的標定雙包層FBG 傳感器的溫度,以E 型熱電偶為參照,同條件下兩者同時測量水浴鍋中的水溫,表1 給出了3 組熱電偶和雙包層FBG 的溫度測量數據.由表1 中數據計算可得,10 min 內各時間節點熱電偶與FBG 的平均差為0.171 ℃,且二者最大誤差不超過0.4 ℃.同時,考慮到雙包層FBG 傳感器的靈敏度為10 pm/℃以及實驗中所用解調儀精度為1 pm,容易得到雙包層FBG 傳感器在0—450 ℃測溫范圍內,其溫度分辨率可達0.1 ℃,測溫精度可達 ± 0.4 ℃,單次數據采集時間 ≤ 0.1 s,完全可以滿足對鋰電池溫度監測的要求.

表1 E 型熱電偶與雙包層FBG 溫度測量結果對比Table 1.Comparison of temperature measurement results between E-type thermocouple and double clad FBG.

圖5(a)給出了單模和雙包層FBG 以每10 s遞增0.5 N 的幅度增加負載時,二者反射光譜中心波長隨時間的變化關系.從圖5(a)中可以得到,單模和雙包層FBG 的反射光譜中心波長均隨時間呈階梯增長,且每一階梯增長值幾乎相同,即二者中心波長漂移量與縱向壓力均有良好的線性關系.圖5(b)給出了單模和雙包層FBG 的反射光譜中心波長隨壓力增加的變化關系.從圖5(b)中可以得到,單模FBG 的反射光譜中心波長與壓力的線性擬合曲線函數為y=0.09702x+1548.52354,靈敏度為97 pm/N,擬合直線的判定系數R2=0.99935;雙包層FBG 的線性擬合曲線函數為y=0.1424x+1547.16964,靈敏度為142 pm/N,擬合直線的判定系數R2=0.99971.圖5(c)給出了單模和雙包層FBG 的反射光譜中心波長隨位移變化關系曲線.從圖5(c)中可以看出,單模FBG 的反射光譜中心波長與位移的線性擬合曲線函數為y=1.3341x+0.00375,靈敏度為1.334 nm/mm;雙包層FBG 的線性擬合曲線函數為y=1.6877x–0.00758,靈敏度為1.688 nm/mm,擬合直線的判定系數均為R2=0.9999.

圖5 (a) FBG 中心波長實時監測;(b) FBG 中心波長隨壓力變化;(c) FBG 中心波長隨位移變化Fig.5.(a) Real-time monitoring of FBG center wavelength;(b) FBG center wavelength varies with pressure;(c) FBG center wavelength varies with displacement.

上述擬合結果表明,單模和雙包層FBG 的波長漂移與壓力、位移形等變量均具有高擬合度,但相同負載情況下,單模FBG 反射光譜中心波長漂移量約為0.388 nm,雙包層FBG 反射光譜中心波長漂移量約為0.570 nm,相應靈敏度約為0.01 N;位移變化相同情況下,單模FBG 反射光譜中心波長漂移約為5.603 nm,雙包層FBG 反射光譜中心波長漂移約為7.075 nm,形變靈敏度約為0.1 um,表明同條件下雙包層FBG 相比于單模FBG 對應力應變更敏感,更適于微應變測量.上述結果表明雙包層FBG 的溫度、應變傳感特性均優于傳統的單模FBG.因此,選擇雙包層FBG 傳感器進行鋰電池組的溫度場及殼體應變監測.

利用相位掩模法以逐漸增加光纖預應力刻寫得到不同周期雙包層FBG,按圖2(b)所示的方式將16 個雙包層FBG 布設于18650 鋰離子電池模組相應位置,電池電極上標示各個雙包層FBG 的序列號,標記為FBGmn(其中m為通道數,n為序列數),進行溫度和應變的測試.以1 通道為例,靜態下FBG11 至FBG14 反射光譜中心波長分別為1546.52 nm,1549.34 nm,1552.56 nm 和1555.47 nm,其余FBG 反射光譜中心波長參見表2 所示.初始0 時刻四通道FBG 皆處于室溫(20 ℃)條件下,每十秒記錄一次中心波長,結果列于表2 之中,由于數據點過多,因此表中只給出10—70 s 之間的數據,其他數據參見圖6.表中1,2,3 號通道為短路溫度控制在250 ℃以下的鋰電池溫度監測結果,4 號通道為雙包層FBG 表貼于鋰電池殼體表面監測電池鼓包應變監測結果.表中監測到的所有數據表明,16 個雙包層FBG 布設點均能有效的監測鋰電池電極溫度和殼體應變隨時間的變化情況.

圖6 (a) 溫度場監控系統1,3 號通道溫度監測對比;(b) 通道4 電池鼓包監測對比Fig.6.(a) Comparison of temperature monitoring of channels 1 and 3 of the temperature field monitoring system;(b) channel 4 battery bulge monitoring comparison.

表2 雙包層FBG 監測18650 鋰電池模組反射譜中心波長隨時間變化數據Table 2.Double clad FBG monitoring 18650 lithium battery module reflectance spectrum center wavelength change data with time.

進一步分析和對比表中數據,可以發現第3 通路FBG 反饋數據異常.為了更加直觀的顯現鋰離子電池相應位置溫度變化情況,圖6(a)給出了監控系統1,3 號通道溫度監測對比圖.從圖6(a)中明顯可以看出,70 s 內FBG31,FBG32 的中心波長隨著時間的延長發生了異常的快速增長現象,與同一時間正常雙包層FBG11,FBG12 的波長信息產生了明顯的差異,超過200 ℃標定的中心波長,說明FBG31,FBG32 監測的鋰電池電極處出現了溫度異常升高狀況.在第70 s 時二者中心波長分別為1546.85 nm 和1548.93 nm,相較初始時刻分別偏移了2.251 nm 和2.218 nm.由圖4(d)雙包層FBG 中心波長與溫度關系,可得到此時鋰電池電極表面溫度已達228.5 ℃,處于200—250 ℃溫度區間,表明此時鋰電池正極材料分解,出現了安全隱患,會釋放出大量熱和氣體,需要及時采取相應措施.該點問題處理后,也即70—120 s 之后,溫度逐漸下降,電池回歸正常.

表2 中4 號通道為鋰電池殼體表面鼓包應變監測結果,圖6(b)亦給出了該組4 個雙包層FBG41—44 中心波長隨時間的變化關系圖.結合圖和表可知,FBG41,FBG42 和FBG44 的中心波長隨時間延長幾乎沒有變化,表明對應雙包層FBG所監測的電池殼體未發生鼓包形變.而FBG43 的中心波長由初始時刻的1552.53 nm,至70 s 時到達了1553.69 nm,相較其他3 個監測點出現了明顯的異常變化.表明FBG43 所監測的鋰電池殼體有可能發生了鼓包形變.根據圖5(b)所示的通道4 雙包層FBG 反射光譜中心波長與應力應變測試和擬合結果,可知FBG43 所處電池殼體表面發生了大小約為2 N 重力所致厚度為1 mm 的金屬鐵片的形變量.

4 結論

總之,本文研究了雙包層FBG 的溫度與應力應變的傳感特性,獲得的雙包層FBG 在0—450 ℃測溫范圍內溫度靈敏度為10 pm/℃,溫度分辨率為0.1 ℃,縱向壓力應變靈敏度為142 pm/N,均優于一般單模FBG 溫度和應力應變靈敏度,且中心波長漂移量與溫度及應力應變的線性關系擬合度更好.進一步基于雙包層FBG 設計了多點準分布式傳感系統,探討了其在鋰電池使用過程中溫度與形變監測情況,實現了對18650 鋰離子電池組溫度場變化和殼體鼓包形變的有效監測.本文的研究工作有望為鋰電池組的安全監測和使用提供可靠的依據.