許 彬，李志遠(yuǎn)，徐伯樂(lè)，楊 睿，賈 騰，陳 瑩

(1.上海市徐匯區(qū)消防救援支隊(duì)，上海 徐匯 200030；2.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢430070；3.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064；4.海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430034)

隨著能源轉(zhuǎn)型和能源革命的推進(jìn)，具有能量密度高、穩(wěn)定性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、綠色無(wú)污染、無(wú)記憶效應(yīng)、充電時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)的鋰電池被稱為“21世紀(jì)最具有應(yīng)用價(jià)值的理想電源”，因此被廣泛用于便攜式電子設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備以及電動(dòng)汽車。一方面，鋰離子電池憑借其儲(chǔ)能效益好、對(duì)環(huán)境污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。但另一方面，由于單體容量大，鋰離子電池在充放電的過(guò)程中易產(chǎn)生熱失控的現(xiàn)象，誘發(fā)包括火災(zāi)、爆炸在內(nèi)的多種事故[1-2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э氐脑缙诒O(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開(kāi)展了大量的研究。楊赟等[3]自主研發(fā)了針對(duì)18650型鋰離子電池及電池組的熱失控三級(jí)預(yù)警系統(tǒng)，將鋰離子電池及電池組的熱失控劃分為50 ℃、70 ℃、80 ℃3個(gè)階段。劉磊等[4]提出判定鋰離子電池發(fā)生熱失控的條件應(yīng)為：溫度上升速率大于等于2 ℃/s，且電壓下降速率大于等于25%。張斌等[5]提出利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)電池極柱溫度進(jìn)行監(jiān)控，紅外熱成像不僅可以對(duì)電池表面所有點(diǎn)的溫度分布進(jìn)行測(cè)量，而且響應(yīng)時(shí)間快。LI等[6]通過(guò)將電阻溫度檢測(cè)器(RtD)放置在CR2032硬幣電池的電池集電極后面的方式來(lái)測(cè)量電池內(nèi)外部的溫度，RtD測(cè)量得到的電池內(nèi)部溫度比電池外部平均高5.8 ℃，檢測(cè)效率高，對(duì)鋰電池的干擾小，可以有效防止熱失控事件。馮旭寧[7]開(kāi)發(fā)了基于電化學(xué)模型和產(chǎn)熱模型的內(nèi)短路檢測(cè)算法，該算法能夠以較高的準(zhǔn)確性至少提前半個(gè)小時(shí)檢測(cè)出可能會(huì)造成鋰離子電池?zé)崾Э氐膰?yán)重內(nèi)短路。黃妙華等[8]以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，根據(jù)電池的充放電特性，通過(guò)Matlab建立合適的網(wǎng)絡(luò)模型，提出組合訓(xùn)練法，找出了網(wǎng)絡(luò)隱含層較優(yōu)節(jié)點(diǎn)數(shù)為20，改進(jìn)了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磷酸鐵鋰電池的SOC估算。郭超超等[9]對(duì)荷電量分別為30%和100%的鋰離子電池在熱失控情況下釋放的氣體成分和含量進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)一氧化碳、二氧化碳、氫氣等無(wú)機(jī)氣體和甲烷、乙烯等有機(jī)氣體是鋰離子電池?zé)崾Э蒯尫诺臍怏w主要組成成分。NASCIMENTO等[10]使用光纖布拉格光柵光學(xué)傳感器(fiber bragg grating, FBG)和K型熱電偶在正常和異常狀態(tài)下以及不同的放電率下(0.53C，2.67C和8.25C)檢測(cè)鋰離子電池頂部、中部和底部的表面溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：光纖布拉格光柵傳感器具有比K型熱電偶更好的響應(yīng)速度和分辨率。SUSANA等[11]使用兩條FBG傳感器在操作中分別監(jiān)測(cè)鋰離子電池內(nèi)部和外部的溫度變化，發(fā)現(xiàn)外部傳感器與內(nèi)部傳感器檢測(cè)到的溫度值有明顯的差異，最大溫差隨著充放電速率的增加而增加，同時(shí)外部傳感器的信號(hào)相對(duì)于內(nèi)部信號(hào)有延遲，但內(nèi)外部傳感器檢測(cè)的溫度的總體趨勢(shì)是相同的，且溫度的變化顯示出與所施加的電流梯度直接相關(guān)，最高峰始終出現(xiàn)在充電和放電結(jié)束時(shí)。BAE等[12]在鋰鈷氧化物鋰離子電池的石墨陽(yáng)極分別連接外置(附著式)和內(nèi)置(植入式)光纖傳感器，通過(guò)檢測(cè)FBG峰的光譜移動(dòng)和分裂，監(jiān)測(cè)循環(huán)期間電池內(nèi)部電極的應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)在不同的放電速率、電荷狀態(tài)和循環(huán)中可以重復(fù)觀察到峰值偏移和峰值分裂的現(xiàn)象。

盡管目前針對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э卦缙诒O(jiān)測(cè)預(yù)警已經(jīng)做出了大量的工作，也總結(jié)了鋰離子電池發(fā)生熱失控的判定條件，但是大多數(shù)研究人員僅研究了針對(duì)單一鋰離子電池的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警，然而在實(shí)際的工況中，裝載鋰離子電池的儲(chǔ)能和動(dòng)力系統(tǒng)，電池?cái)?shù)量多達(dá)幾萬(wàn)甚至上十萬(wàn)個(gè)，紅外熱成像和特征氣體檢測(cè)法受外界環(huán)境的影響因素較大，建立熱電模型模擬分析的算法不具有普適性，電池內(nèi)部阻抗檢測(cè)會(huì)對(duì)阻抗產(chǎn)生感應(yīng)效應(yīng)，嵌入式光纖光柵傳感器會(huì)對(duì)電池的性能和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，貼附于鋰離子電池表面的光纖光柵傳感器能夠同時(shí)檢測(cè)溫度和應(yīng)變的變化。因此，筆者將采用光纖光柵傳感器和K型熱電偶兩種傳感器開(kāi)展不同放電速率和不同特征點(diǎn)下鋰離子電池表面溫度變化的研究，研究光纖光柵測(cè)溫應(yīng)用于鋰離子電池?zé)崾Э乇O(jiān)測(cè)的可行性，以期得到更為準(zhǔn)確的判定鋰離子電池發(fā)生熱失控的臨界條件。

1 光纖光柵測(cè)溫原理及其應(yīng)力與溫度的交叉敏感性

光纖光柵傳感器具有直徑細(xì)、質(zhì)量輕、絕緣、化學(xué)穩(wěn)定性高、抗電磁干擾強(qiáng)、精度高、反應(yīng)靈敏、可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。因此，光纖光柵傳感器可在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定持久的工作。

光信號(hào)由寬帶光源發(fā)出后通過(guò)環(huán)形器送入放置于待測(cè)場(chǎng)中的光纖光柵中，由于光纖光柵具有周期性折射率，因此當(dāng)特定波長(zhǎng)的光通過(guò)時(shí)，光會(huì)被反射回環(huán)形器并進(jìn)入光譜儀中。反射波長(zhǎng)的表達(dá)式為：

λB=2neffΛ

(1)

式中：Λ為相位掩模光柵的周期；neff為光纖芯針對(duì)中心波長(zhǎng)的折射率。

實(shí)驗(yàn)證明，作用于光纖光柵傳感器上的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)等會(huì)導(dǎo)致相位掩膜光柵的周期發(fā)生變化，以及光纖芯針對(duì)中心波長(zhǎng)的折射率發(fā)生變化，使得光纖光柵傳感器的反射波長(zhǎng)λ產(chǎn)生一定程度的偏移量Δλ[13]。其中，反應(yīng)外場(chǎng)的力學(xué)量H(如力矩M、應(yīng)力F、應(yīng)變等)和熱學(xué)量G(如溫度T等)通過(guò)影響光纖光柵傳感器的Λ值和彈光效應(yīng)產(chǎn)生的Δλ，可導(dǎo)致光纖光柵傳感器出現(xiàn)熱膨脹和熱光效的現(xiàn)象。因此，可得到FBG的Δλ變化式為：

Δλ=ΔλH+ΔλG=K(H)·ΔH+K(G)·ΔG

(2)

式中：ΔλH為由外場(chǎng)力學(xué)量H引起的光纖光柵傳感器偏移量；ΔλG為由外場(chǎng)熱學(xué)量G引起的光纖光柵傳感器偏移量；K(H)為與光纖光柵傳感器系統(tǒng)的力學(xué)性質(zhì)、光纖泊松比、光纖泊松比和纖芯有效折射率有關(guān)的常數(shù)；K(G)為與光纖光柵傳感器系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)、纖芯的熱光系數(shù)ζ及其熱膨脹系數(shù)有關(guān)的常數(shù)。

若將光纖光柵傳感器粘貼在鋰離子電池的表面，則光纖光柵傳感器產(chǎn)生的Δλ是由鋰離子電池表面的溫度變化ΔT和應(yīng)變?chǔ)う旁斐傻?。因此公式可?jiǎn)化為：

Δλ=Kε·Δε+KT·ΔT

(3)

式中：Kε為光纖光柵傳感器系統(tǒng)的描述應(yīng)變的常數(shù)；Δε為鋰離子電池表面的應(yīng)變變化量；ΔT為鋰離子電池表面的溫度變化量；KT為光纖光柵傳感器系統(tǒng)描述溫度變化的常數(shù)。

由上式就可看出貼附于鋰離子電池表面的光纖光柵傳感器會(huì)受到應(yīng)變與溫度的雙重影響。通過(guò)對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程后的表面參數(shù)進(jìn)行分析，可知，鋰離子電池在熱失控的過(guò)程中，溫度會(huì)不斷的上升，同時(shí)伴隨著明顯的應(yīng)變產(chǎn)生，這一特點(diǎn)符合光纖光柵傳感器同時(shí)測(cè)量溫度的特征。鑒于此，筆者提出全新的衡量鋰離子電池?zé)崾Э氐谋O(jiān)測(cè)預(yù)警信號(hào)，并將其定義為虛擬溫度。虛擬溫度的表達(dá)式為：

ΔTV=Δλ/C

(4)

式中：ΔTV為虛擬溫度；Δλ為波長(zhǎng)的變化量；C為光纖光柵傳感器的靈敏度。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置的主體由鋰離子電池、K型熱電偶、光纖光柵傳感器、熱電偶數(shù)據(jù)采集儀、電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、光纖光柵解調(diào)儀和上位機(jī)7大部分組成。

圖1 鋰離子電池循環(huán)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

鋰離子電池采用上海航天電源技術(shù)公司IFP1780123P型方形磷酸鐵鋰電池(18 mm×80 mm×124 mm)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 方形磷酸鐵鋰電池參數(shù)

光纖光柵傳感器選用山東圣海光線科技有限公司生產(chǎn)的波長(zhǎng)分別為1 530 nm、1 535 nm、1 540 nm、1 545 nm和1 550 nm的五點(diǎn)單模光纖，具體參數(shù)如表2所示。

表2 光纖光柵傳感器參數(shù)

熱電偶采用市場(chǎng)上購(gòu)買的K型熱電偶，工作溫度在-50 ℃～300 ℃。解調(diào)儀采用武漢理工大學(xué)研制的HS-08型光纖光柵高速波長(zhǎng)解調(diào)儀監(jiān)測(cè)布拉格波長(zhǎng)，其采樣頻率為1 Hz，分辨率為0.1 pm，具體參數(shù)如表3所示。

表3 光纖解調(diào)儀參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中熱電偶采用的數(shù)據(jù)采集器是HIO公司生產(chǎn)的MR8870-30型存儲(chǔ)記錄儀，該儀器共有10個(gè)通道，適用于10 mV～50 V電壓的輸入以及各種型號(hào)熱電偶的溫度記錄。該數(shù)據(jù)顯示器可通過(guò)液晶顯示屏和內(nèi)置處理軟件實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)波形和相關(guān)的運(yùn)行結(jié)果。鋰離子電池通過(guò)導(dǎo)線與新威電池檢測(cè)系統(tǒng)連接上位機(jī)通過(guò)配套的軟件進(jìn)行循環(huán)充放電的工步設(shè)置，控制電池檢測(cè)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止以及對(duì)電池電壓的監(jiān)測(cè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

2.2.1 光纖光柵傳感器與K型熱電偶監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置

為保障實(shí)驗(yàn)的精確性，按照等間距選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原則，在方形鋰離子電池的對(duì)角線上選取5個(gè)不同的點(diǎn)位(1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào))，點(diǎn)位布置示意圖如圖2所示。將光纖光柵傳感器與K型熱電偶分別布置于對(duì)應(yīng)的點(diǎn)位置之上，測(cè)定K型熱電偶與恒溫箱環(huán)境溫度的溫度偏差ΔT以及光纖光柵傳感器產(chǎn)生的Δλ。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光纖光柵熱標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與鋰離子電池循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)的工作溫度控制在10 ℃～50 ℃，光纖光柵傳感器可在0 ℃～300 ℃的范圍內(nèi)工作，K型熱電偶的工作溫度也處于-50 ℃～300 ℃。因此，實(shí)驗(yàn)溫度不會(huì)影響光纖光柵傳感器和K型熱電偶的正常工作。

圖2 可充電鋰離子電池示意圖

2.2.2 光纖光柵傳感器的熱校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

利用可程式恒溫試驗(yàn)箱對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行熱校準(zhǔn)，溫度范圍從10 ℃～40 ℃，步幅為5 ℃，溫度穩(wěn)定30 min之后進(jìn)行5 min的波長(zhǎng)數(shù)據(jù)的采集。通過(guò)式(4)ΔTV=Δλ/C，其中Δλ為波長(zhǎng)的變化量，ΔTV為虛擬溫度的變化量(解釋虛擬溫度)，傳感器的靈敏度可以通過(guò)已知的和得到。電池表面5個(gè)光纖光柵傳感器的熱校準(zhǔn)結(jié)果如圖3所示，分別為1號(hào)光柵(底部)、2號(hào)光柵(中下部)、3號(hào)光柵(中部)、4號(hào)光柵(中上部)、5號(hào)光柵(靠近電池正極，上部)，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間變化，縱坐標(biāo)為光纖光柵的波長(zhǎng)變化量Δλ。光纖光柵傳感器波長(zhǎng)的變化值與虛擬溫度的變化值ΔTV為線性相關(guān)，且相關(guān)性高，值如表4所示。

圖3 光纖光柵傳感器熱校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)擬合結(jié)果

表4 傳感器的精確度

2.2.3 鋰離子電池循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)

使用新威電池充放電系統(tǒng)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充放電測(cè)試，電池測(cè)試流程圖如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間變化，縱坐標(biāo)為鋰離子電池電壓的變化ΔU。以1C(8 A)的恒流充電倍率進(jìn)行恒流恒壓充電至截止電壓3.6 V，在室溫下靜置30 min，隨后以不同的放電倍率(0.5C、1C、2C)進(jìn)行恒流放電至截止電壓2.5 V，依次循環(huán)3次取平均值，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。

圖4 電池充放電電壓—時(shí)間曲線圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 光纖光柵傳感器和K型熱電偶的測(cè)溫對(duì)比

光纖光柵傳感器與熱電偶在不同放電條件下循環(huán)充放電獲取的實(shí)驗(yàn)溫度以及對(duì)應(yīng)的電壓如圖5所示，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間的變化，縱坐標(biāo)為溫度變化值ΔT和電池電壓變化數(shù)據(jù)ΔU。

圖5 電池表面不同位置的熱電偶和光纖光柵測(cè)溫對(duì)比圖

通過(guò)圖像可看出兩種傳感器所測(cè)得的溫度在很大的程度上是重合的，只有在溫度發(fā)生迅速變化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生差異。當(dāng)恒流充電開(kāi)始時(shí)，電池電壓開(kāi)始緩慢地升高，電池表面的溫度開(kāi)始緩慢地上升，當(dāng)恒流充電結(jié)束時(shí)，電池電壓到達(dá)截止電壓，此時(shí)電池表面溫度到達(dá)第一個(gè)峰值，在恒壓充電階段，電池電壓保持不變，表面溫度開(kāi)始緩慢地下降。隨之而來(lái)的擱置階段，電池電壓出現(xiàn)小范圍的下降，電池達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表面溫度開(kāi)始繼續(xù)下降直至到達(dá)最低點(diǎn)。當(dāng)電池開(kāi)始恒流放電時(shí)，電池電壓緩慢下降至截止電壓，電池表面溫度開(kāi)始緩慢上升，當(dāng)恒流放電結(jié)束時(shí)，電池表面的溫度到達(dá)第二個(gè)峰值，并在擱置期間溫度下降。根據(jù)圖像可看出，光纖光柵傳感器和K型熱電偶均能在電池電壓發(fā)生變化時(shí)對(duì)溫度迅速做出反應(yīng)，具有較高的靈敏度。

在放電速率為2C，即放電速率較大的情況之下，當(dāng)鋰離子電池表面溫度開(kāi)始發(fā)生突變時(shí)，通過(guò)測(cè)定傳感器達(dá)到鋰離子電池表面最高溫度的50%所用時(shí)間，以此確定位于鋰離子電池表面?zhèn)鞲衅鞯捻憫?yīng)速率，經(jīng)計(jì)算可得光纖光柵傳感器與K型熱電偶的響應(yīng)速率分別為0.439 2 ℃/min和0.363 0 ℃/min。這說(shuō)明光纖光柵傳感器的反應(yīng)速率大致為K型熱電偶響應(yīng)速率的1.2倍左右。此外，通過(guò)測(cè)算達(dá)到最高溫度10%的所用時(shí)間與到達(dá)最高溫度90%所用時(shí)間的差值ΔT可得到，相較于K型熱電偶，光纖光柵傳感器的響應(yīng)時(shí)間為其響應(yīng)時(shí)間的85%。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中所考察的不同的放電速率，各個(gè)位置傳感器所測(cè)得的數(shù)值差異不大。該結(jié)果能夠充分證明光纖光柵傳感器比熱電偶有更快的響應(yīng)速率。根據(jù)不同位置傳感器測(cè)得的最大溫度偏差。當(dāng)放電速率最小時(shí)，整個(gè)鋰離子電池表面溫度幾乎是相同的，為1.3 ℃左右。此時(shí)，光纖光柵傳感器與K型熱電偶測(cè)得的最高溫度時(shí)間點(diǎn)，以及測(cè)量的最高溫度的數(shù)值差異性不大。

3.2 不同充放電倍率對(duì)鋰電池表面溫度的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鋰離子電池表面的溫度變化與充放電倍率具有直接相關(guān)性，溫度峰值一般在鋰離子電池充放電末期出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)符合下列事實(shí)：在放電階段，鋰離子在電池內(nèi)部遷移，形成濃度梯度差，在施加電流的影響下，產(chǎn)生熱量。當(dāng)放電倍率為0.5C時(shí)，電池溫度的最高峰出現(xiàn)在恒流充電的末期；當(dāng)放電倍率為1C時(shí)，充放電最高溫度峰值差異不大；當(dāng)放電倍率為2C時(shí)，最高峰值出現(xiàn)在恒流放電的末期，其原因在于當(dāng)放電倍率增加時(shí)，放電時(shí)間大大減少，電池的散熱效率小于電池的產(chǎn)熱效率，致使電池的溫度上升。隨著放電倍率的增加，電池表面的溫升速率以及最高溫度都顯著增加。當(dāng)放電倍率為0.5C時(shí)，最高溫差為1.328 ℃，升溫速率為0.000 185 ℃/s；放電倍率為1C時(shí)，最高溫差為3.297 ℃，升溫速率為0.000 878 ℃/s；放電速率為2C時(shí)，最高溫差為7.553 ℃，升溫速率為0.004 163 ℃/s。在不同的放電速率的下，五個(gè)位置的光纖光柵傳感器的變化趨勢(shì)相同,說(shuō)明充放電倍率與電池表面溫度變化有關(guān)，這種變化與傳感器的位置無(wú)關(guān)。

從2C放電過(guò)程中不同位置傳感器的測(cè)溫最高值可看出，鋰離子電池表面不同位置的放熱速率具有差異性。在2C的放電速率下，靠近鋰離子電池正負(fù)極位置的5號(hào)光纖光柵的溫度變化最大(8.42 ℃)；其次是中部位置的3號(hào)光纖光柵(8.09 ℃)，遠(yuǎn)離鋰離子電池負(fù)極的1號(hào)光纖光柵傳感器(7.70 ℃)、中上部位置的2號(hào)光纖光柵傳感器(7.46 ℃)和中下部位置的4號(hào)光纖光柵傳感器(6.94 ℃)溫度變化相差不大，且低于1號(hào)光纖光柵傳感器的溫度變化。

3.3 不同放電速率對(duì)鋰離子電池應(yīng)變的影響

鋰離子電池表面不同位置下光纖光柵傳感器和熱電偶測(cè)得的最高溫差ΔT如圖6和表5所示。可看出當(dāng)放電速率為0.5C時(shí)，兩種傳感器所測(cè)量的溫度差異性可忽略不計(jì)，由光纖光柵傳感器測(cè)得的最高溫差為1.52 ℃，由K型熱電偶測(cè)得的最高溫差為1.49 ℃，二者監(jiān)測(cè)的溫度差在0.03 ℃左右；當(dāng)放電速率為1C時(shí)，5個(gè)不同位置測(cè)得的最高溫度也基本相同，兩者監(jiān)測(cè)結(jié)果的差距大致在0.22 ℃，光纖光柵傳感器測(cè)得的最高溫差為3.70 ℃，K型熱電偶測(cè)得的最高溫差為3.48 ℃，此時(shí)光纖光柵傳感器與K型熱電偶測(cè)得的電池表面溫度就開(kāi)始出現(xiàn)差異性，與K型熱電偶相比，光纖光柵傳感器所展現(xiàn)出的溫度梯度曲線顯得更為陡峭，且位于中間位置的光纖光柵傳感器與抗性熱電偶測(cè)出了溫度的最大值；當(dāng)放電速率為2C時(shí)，鋰離子電池表面開(kāi)始表現(xiàn)出明顯的溫度梯度，光纖光柵傳感器與K型熱電偶測(cè)得的電池表面溫度展現(xiàn)出的溫度偏差更大，兩種傳感器測(cè)得的溫度最高值偏差大致為0.95 ℃，且位于鋰離子電池中間位置附近的傳感器測(cè)得的溫度差異性最大，光纖光柵傳感器測(cè)得的最高溫差為8.09 ℃，熱電偶測(cè)得的最高溫差為7.15 ℃。

圖6 不同放電速率下兩種傳感器的測(cè)溫差

表5 不同放電速率下兩種傳感器的測(cè)溫差

由于光纖光柵傳感器測(cè)得的虛擬溫度同時(shí)受到溫度和應(yīng)變的影響，因此根據(jù)不同放電速率條件下，兩種傳感器測(cè)量的峰值偏差，可得到以下結(jié)論：鋰離子電池的放電速率越大，兩種傳感器測(cè)量的ΔT差異性越大，此時(shí)鋰離子電池表面的應(yīng)變就越大。當(dāng)放電速率為0.5C時(shí)，鋰離子電池表面的應(yīng)變幾乎可以忽略不計(jì)；當(dāng)放電速率為1C時(shí)，鋰離子電池表面的應(yīng)變開(kāi)始出現(xiàn)變化；當(dāng)放電速率為2C時(shí)，鋰離子電池中部的兩種溫度傳感器測(cè)得的溫度偏差高達(dá)0.95 ℃。因此，此時(shí)鋰離子電池表面的應(yīng)變差是最大的。

3.4 光纖光柵傳感器測(cè)溫特性分析

通過(guò)兩種傳感器的測(cè)溫對(duì)比，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了光纖光柵傳感器能成功地應(yīng)用于檢測(cè)方形鋰離子電池表面溫度的變化。在恒定溫度(25 ℃)的條件下，以恒定的充電速率(1C)和不同的放電速率(0.5C、1C、2C)在表面僅使用一根光纖即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池表面5個(gè)不同位置的監(jiān)測(cè)，利用其復(fù)用能力、可靠性和快速響應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)鋰電池表面溫度分布及其變化的特點(diǎn)進(jìn)行直觀的監(jiān)測(cè)和反應(yīng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了基于光纖光柵傳感器的鋰離子電池早期監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種有效、精確、簡(jiǎn)單易操作的解決方案，可以在原位、多點(diǎn)和工作中監(jiān)測(cè)鋰離子電池表面的溫度分布。

隨著放電速率變大，鋰離子電池的升溫速率加快，兩種傳感器測(cè)溫的差異性表現(xiàn)得愈加明顯。相較于K型熱電偶，光纖光柵傳感器具有更短的反應(yīng)時(shí)間和更快的響應(yīng)速率，且光纖光柵傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度和應(yīng)變的同時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠通過(guò)一條光纖就實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池表面多點(diǎn)溫度的測(cè)量，避免了包括熱電偶在內(nèi)的多種傳感器復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)與布置。因此，在實(shí)際工況中，相較于K型熱電偶，基于光纖光柵傳感器的早期監(jiān)測(cè)預(yù)警的技術(shù)具有更高的實(shí)用價(jià)值。

4 結(jié)論

通過(guò)鋰離子電池的熱標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)，筆者總結(jié)了以下結(jié)論：

(1)鋰離子電池表面的溫度變化與電池充放電的倍率具有直接相關(guān)性，溫差的最大值出現(xiàn)在鋰離子電池充放電的末期，且充放電的倍率越高，鋰離子電池表面溫差的最大值越大。

(2)通過(guò)光纖光柵傳感器與K型熱電偶的測(cè)溫對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出，光纖光柵傳感器具有響應(yīng)速率快、多路復(fù)用、布設(shè)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、易于定位等優(yōu)點(diǎn)。

(3)基于筆者提出的虛擬溫度(TV)，相較于K型熱電偶，光纖光柵傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池表面溫度和應(yīng)變的雙重監(jiān)測(cè)。因此,在實(shí)際工況中，光纖光柵傳感器作為鋰離子電池表面溫度監(jiān)測(cè)的替代，不失為一種更佳的選擇。