基于无芯光纤的微型双F-P腔在电池中的温度和压力波动研究

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基于无芯光纤的微型双F-P腔在电池中的温度和压力波动研究

时间：2026年1月29日

来源：Optical Fiber Technology

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基于无芯光纤双腔体结构的锂离子电池实时温度与压力监测系统设计及实验验证

周琪马|秦鹏刘|李一瑞|郑航|李浩泽|刘英刚

西安石油大学，油气井测量与控制技术重点实验室，中国西安710065

摘要

本文提出了一种基于双光纤法布里-珀罗干涉仪（FPI）腔体的紧凑型温度和压力传感器，该传感器采用无芯光纤（NCF）结构。建立了双腔体的测量模型，深入研究了测量机制，并推导出了温度和压力灵敏度的解析公式，随后开发出了相应的传感器。实验结果表明，在240°C的温度范围内，传感器的温度灵敏度为5.75 pm/°C；在1.63 MPa的压力范围内，压力灵敏度为4.125 nm/MPa。与传统级联FBG温度和压力传感器相比，该传感器体积更小，适用于狭小空间。该传感器已成功植入5550 mWh容量的单体电池中，能够有效实时测量不同充电速率下的电池内部温度和压力变化。这种具有优异特性的传感器在评估电池健康状况方面具有潜在应用价值。

引言

在全球推动碳中和和可再生能源发展的背景下，锂离子电池的应用范围已超越消费电子领域，扩展到智能电网、分布式储能电站和电动飞机等新兴领域。其高能量密度和快速响应特性已成为构建新型电力系统的核心要素[1]。尤其是在过去十年中，新一代储能电池不断涌现，具有重量轻、能量密度高和耐用性强的特点。锂离子电池现已广泛应用于新能源汽车、储能设施、航空航天等领域[2]、[3]、[4]。随着应用规模的不断扩大，锂离子电池系统在实际使用中的稳定性和安全性成为业界关注的焦点[5]。锂离子电池的内部状态与其运行过程中的电化学反应密切相关，这些反应影响着电池的性能和寿命[6]。传统的接触式传感器在评估电池内部参数时面临诸多困难，包括对电磁干扰的抵抗力不足以及测试结果偏差较大，可能导致电化学特性下降。同时，确保同时获取多个关键参数也是一项挑战。目前，电池状态的监测主要依赖于电化学特性、温度和内部压力参数的测量。储能电池状态评估采用了多种技术，包括温度和压力测量，以及电流积分[8]、开路电压[9]和阻抗谱[10]等电化学方法[7]。大多数电传感器难以在极小的封闭空间和腐蚀性气体环境中正常工作。由于锂离子电池内部环境的复杂性和恶劣性，精确的原位测量仍然具有挑战性。因此，开发并直接应用于电池内部的紧凑型光纤传感器技术尤为重要[11]。Pinto团队将光纤布拉格光栅（FBG）集成到锂离子电池上，实现了对其运行过程中温度变化的实时测量，证明FBG技术非常适合在实际工况下获取圆柱形和软包装电池的精确温度分布[12]。Huang利用FBG传感器测量电池内部的温度和压力，以评估固体电解质界面（SEI）的形成和热流[13]。Jia对比了电池表面五个不同位置的FBG和热电偶的温度变化[14]。Micael提出了一种由FBG和FP腔体组成的混合传感网络，用于区分电池内部的温度和应变变化，实验表明该网络能有效区分电池的内部应变和温度变化[15]。Song团队采用铰链式差分杠杆增敏结构开发了FBG传感器，用于同时检测应变和温度[16]。研究表明，电池在充放电过程中都会产生热效应，放电过程中的热量释放明显高于充电过程。材料的热膨胀是导致电池系统变形的主要原因[16]。Mei首次在18650电池内部植入了光纤传感器[17]，实现了对电池热失控阶段内部温度和压力的实时监测，并研究了复杂热失控过程中原位压力和温度之间的关系[18]。Liu提出了一种基于双腔体匹配的光纤温度和压力传感器，通过维尼尔效应增强了压力灵敏度，能够有效测量不同放电速率下锂离子电池内部的气体压力变化[19]。总之，研究人员正在利用各种先进工具研究电池运行过程中的内部状态。然而，目前尚未有研究利用单一传感器同时测量电池内部的压力和温度变化。全面监测电池内部状况需要集成多个传感器，这不可避免地增加了系统的复杂性和成本。此外，现有传感技术的性能受到热稳定性不足（尤其是在聚合物腔体中）和高交叉灵敏度等挑战的限制。对于采用级联结构的光纤温度和压力传感器，其体积也限制了其在电池中的实际应用。因此，基于无芯光纤的双腔体传感器为监测复杂的电池内部环境提供了可行的解决方案，同时具备抗腐蚀和耐高温的能力。

本文解决了原位电池监测中的挑战，特别是高温、低压、强腐蚀和空间有限的问题。为了实现小型化和提高环境适应性，提出了一种结合单模光纤和无芯光纤的混合结构。与现有解决方案相比，这种新型设计在小型化和鲁棒性方面具有显著优势。在该传感器中，NCF腔体用于内部温度测量，而空气腔体用于压力监测，有效消除了双腔体匹配的复杂性。该设计实现了高灵敏度的压力测量，并满足所需的低压范围，同时实现了大范围内的温度测量。所设计的结构表现出优异的高温和抗腐蚀性能。实验结果证明，所提出的设计概念能够准确实时捕获电池内部的温度和气体压力信息，从而达到预期的实验效果。

传感器设计

5550 mWh电池的内部环境非常复杂，空间有限、温度不稳定且存在腐蚀性气体。针对这种环境设计的传感器需要具备高温耐受性、紧凑尺寸、抗腐蚀性、高稳定性和可植入性等关键特性。因此，为了实现高精度的双参数测量，采用了一种基于级联双腔体结构的探针式全光纤法布里-珀罗（FP）传感器。

实验装置

为了评估传感器的温度和压力传感性能，进行了校准实验。实验装置如图4所示，包括解调器（SM125，波长分辨率为1 pm）、温度控制箱（精度±0.01°C）、压力泵和高精度数字压力表（精度0.001 MPa）等关键仪器。

校准包括两个独立步骤。对于压力校准，

电池内部温度和压力的测量

在本研究中，通过将传感器植入圆柱形18650锂离子电池内部构建了监测结构，如图7所示。植入过程首先选择了一块标称电压为3.7 V、容量为5550 mWh的商用18650圆柱形锂离子电池。在电池负极中心钻了一个直径为1 mm的微孔，以降低风险

传感器实现与性能验证

\begin{matrix} ((\begin{matrix} Δ T \\ Δ P \end{matrix})) = \frac{1}{- 2.33 \times 10^{- 2}} (\begin{matrix} 1.136 & - 4.125 \\ - 5.75 \times 10^{- 3} & 4.1 \times 10^{- 4} \end{matrix}) \times (\begin{matrix} 0.4014 \\ 0.1798 \end{matrix}) \\ = \frac{1}{- 2.33 \times 10^{- 2}} ((\begin{matrix} 0.45598944 - 0.74184 \\ - 0.00230805 +0.0000737344 \end{matrix})) \begin{matrix} 12.266 \\ 0.09589 \end{matrix} \end{matrix}

为了验证所提出的双参数同时解耦算法的有效性，使用了一组代表性动态测量数据进行了验证，如方程（7）所示。在此测量实例中，空气腔体（Δλ_AIR）和NCF腔体（Δλ_NCF）的特征波长位移分别为0.4014 nm和0.1798 nm。

结论

总结来说，本文开发并实验验证了一种基于双光纤FPI的紧凑型双参数传感器，用于锂离子电池内部温度和压力的同时原位监测。研究得出以下结论：（i）温度测量范围为240°C，压力测量范围达到1.63 MPa；空气腔体的温度灵敏度为0.41 pm/°C，NCF腔体的温度灵敏度为5.75 pm/°C；压力灵敏度