【技术实现步骤摘要】
本公开涉及锂电子电池监测，具体涉及嵌入光纤传感器的电池结构、柔性嵌入方法及应用。
技术介绍
1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
2、锂离子电池具有能量密度高、工作温度宽、污染低和寿命长等优点，广泛应用于新能源汽车、储能系统等领域，为了进一步实现可持续性快速发展，必须要对电池全寿命周期进行监测，保障电池“由生到死”安全高效利用。
3、传统电池管理系统(battery management system,bms)监测电池外部参数(如电压、电流、温度)，以进一步估计荷电状态(state of charge,soc)和健康状态(state ofhealth,soh)等，并最终在循环使用过程中管理电池。然而，由于监测参数相对较少，对电池内部化学反应及工作原理了解有限，导致在准确预测状态寿命和控制系统安全高效运行方面仍有一些技术挑战，严重影响电池质量、可靠性和寿命(quality,reliability andlife,qrl)。同时，随着电池技术进一步发展，高性能、低成本、大容量、长寿命、高安全、智能化电池已成为未来发展趋势。这对电池qrl提出了更高要求。然而，仅靠电流、电压、温度等外部参数无法满足，利用嵌入式传感器获取能反映电池底层物理/化学过程的内部参数，实现电池精准监测是解决这一问题的关键。
4、光纤传感器具有高分辨率和强复用能力，在多参量时空演化监测中更具优势，已初步用于测量电池内部温度、应力、化学成分等参数。不少学者针对光纤传感器植入电池内部，实现状态
5、现有的方法中，已经存在通过设计涂覆栅格状钯合金镀层的光纤布拉格光栅传感器，并将其放置在电池内部和顶盖之间，探测光纤光栅中心波长变化。以此计算氢气含量变化，实现快速动态测量。然而，该方法没有详细说明光纤传感器植入电池内部的方法和放置位置，可实现性较差；或者在锂离子电池表面设置气体传感器、烟雾检测器，在侧面安装植入到内部的应变温度复合传感器，该传感器由布拉格光栅光纤传感器和干涉光纤传感器组合而成。气体传感器检测电池周围气体变化，烟雾检测器检测电池周围烟雾粒子密度，应变温度复合传感器同步检测电池内部应变和温度。该方法能够同时检测多个参数，实现热失控超前预警。然而，复合光纤传感器的结构和嵌入方法并没有说明；或者对每个电池单体构建光纤传感通道，通过光电探测器将光信号转化为电信号，并利用布里渊散射获取信号与温度应变的关系，实现热失控预警。然而，该方法仅将光纤传感器贴于电池表面，获取表面温度和应变，未实现内部参数监测等。
6、综上，传统电池管理方法主要依靠对外部参数(如电流、电压、温度)的分析和决策。然而，外部参数无法直接体现电池内部反应机理，容易引发管理滞后甚至失效。目前的技术虽然已初步验证了光纤传感器在监测电池内部参数的可行性；目前，方形电池主要有卷绕和叠片两种不同的工艺，即内部是由两个或多个卷芯堆叠而成。每个卷芯是由正极材料、负极材料和隔膜通过叠片式或卷绕式形成，如图4所示，现有的光纤传感器植入方式为直接嵌入卷芯和卷芯之间的中心位置，该点可能是电池的热点位置。以该点处的应力、温度等变化反映电池整体变化，但是卷芯与卷芯之间的中心位置较难定位，同时，植入过程需要精细化操作，否则对电池内部结构会造成损害，以及影响电池寿命。
7、如图5所示，对于卷绕式结构的卷芯而言，其应力集中程度高于叠片式结构，尤其是转角位置。因此，在转角处植入光纤传感器能够更好的监测应力温度等变化，但是转角处应力程度大，应力更为集中，需要评估和最小化植入对电池的影响，同时需要防止光纤传感器出现明显弯曲，甚至断裂，影响监测效果。
8、综上，由于植入到电池内部的光纤传感器的位置不同势必会影响其性能的不同，且大多数方法并没有详细说明植入的可行性、位置等，无法保证光纤传感器植入的有效性，从而无法保证电池全寿命周期安全稳定运行的有效监测。
技术实现思路
1、本公开为了解决上述问题，提出了嵌入光纤传感器的电池结构、柔性嵌入方法及应用，针对棱柱形缠绕结构的电池，通过设计光纤传感器阵列薄膜，平铺在卷芯和卷芯之间，实现温度/应力多点测量消除误差，具有响应精度更高、响应速度更快的效果。
2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
3、嵌入光纤传感器的电池结构，包括：所述电池结构由多层卷芯以及光纤传感器阵列薄膜组成，每个卷芯由正极材料、负极材料和隔膜通过缠绕形成，外层由外壳包裹；
4、所述光纤传感器阵列薄膜由光纤传感器阵列以及薄膜基膜组成，所述光纤传感器阵列嵌在所述薄膜基膜的光纤通道凹槽内，所述光纤传感器阵列薄膜平铺在多层卷芯之间。
5、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
6、嵌入光纤传感器电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，包括：
7、获取电池卷芯大小，根据电池卷芯大小确定薄膜的大小；在所述薄膜上分别确定电池内部中心测量点以及电池局部中心测量点；制备薄膜基膜，根据中心测量点以及局部中心测量点的位置，对所述薄膜基膜进行分割；基于薄膜基膜分割后的表面，构建光纤通道凹槽，将光纤传感器嵌入所述光纤通道凹槽内，对其进行封装，得到光纤传感器阵列薄膜。
8、进一步的，根据电池卷芯大小确定薄膜的长度和宽度，将所述薄膜的大小与电池卷芯的大小设置趋近一致。
9、进一步的，确定电池内部中心测量点，包括：
10、连接薄膜的两条对角线，相交于一点o，则该点o即为电池内部中心测量点。
11、进一步的，确定电池局部中心测量点，包括：
12、过电池内部中心测量点分别向薄膜的四条边作垂线，垂线分别与四条边相交得到四个垂点，分别连接相邻两点边上的垂点，并与薄膜的两条对角线分别交于b、d、c和a四点，即将b、d、c和a点作为电池局部中心测量点。
13、进一步的，制备薄膜基膜，包括：将多层聚偏氟乙烯膜和多层双面聚偏氟乙烯包覆聚乙烯膜进行交叉堆叠，使用热塑机压制，制成薄膜基膜。
14、进一步的，根据电池尺寸和确定的两个测量点位置进行薄膜基膜裁剪和切割，并在设定温度和压力下，垂直于薄膜基膜表面构建光纤通道凹槽，将光纤传感器埋入光纤通道凹槽内，用聚乙烯胶带固定，并覆盖第二层薄膜基膜，使得光纤传感器探头部分嵌入上下两层薄膜基膜的光纤通道凹槽内。
15、进一步的，将光纤传感器阵列薄膜平铺设置在电池卷芯和卷芯之间，并用聚乙烯胶带将卷芯和光纤传感器阵列薄膜固定，在光纤传感器阵列薄膜上设置多个温度/应力测量点，从电池的方壳顶盖打孔，孔的位置设置在正极和负极之间，孔的大小根据光纤传感器的数量确定，在孔处引出光纤传感器后进行密封。
16、进一步的，覆盖第二层薄膜基膜后，将两层薄膜基膜的边缘进行粘合，最后进行烘干，制得光纤传感器阵列薄膜。
17、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
18、嵌入本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.嵌入光纤传感器的电池结构，其特征在于，包括：所述电池结构由多层卷芯以及光纤传感器阵列薄膜组成，每个卷芯由正极材料、负极材料和隔膜通过缠绕形成，外层由外壳包裹；
2.基于权利要求1所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，获取电池卷芯大小，根据电池卷芯大小确定薄膜的大小；在所述薄膜上分别确定电池内部中心测量点以及电池局部中心测量点；制备薄膜基膜，根据中心测量点以及局部中心测量点的位置，对所述薄膜基膜进行分割；基于薄膜基膜分割后的表面，构建光纤通道凹槽，将光纤传感器嵌入所述光纤通道凹槽内，对其进行封装，得到光纤传感器阵列薄膜。
3.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，根据电池卷芯大小确定薄膜的长度和宽度，将所述薄膜的大小与电池卷芯的大小设置趋近一致。
4.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，确定电池内部中心测量点，包括：
5.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，确定电池局部中心
6.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，制备薄膜基膜，包括：将多层聚偏氟乙烯膜和多层双面聚偏氟乙烯包覆聚乙烯膜进行交叉堆叠，使用热塑机压制，制成薄膜基膜。
7.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，根据电池尺寸和确定的两个测量点位置进行薄膜基膜裁剪和切割，并在设定温度和压力下，垂直于薄膜基膜表面构建光纤通道凹槽，将光纤传感器埋入光纤通道凹槽内，用聚乙烯胶带固定，并覆盖第二层薄膜基膜，使得光纤传感器探头部分嵌入上下两层薄膜基膜的光纤通道凹槽内。
8.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，将光纤传感器阵列薄膜平铺设置在电池卷芯和卷芯之间，并用聚乙烯胶带将卷芯和光纤传感器阵列薄膜固定，在光纤传感器阵列薄膜上设置多个温度/应力测量点，从电池的方壳顶盖打孔，孔的位置设置在正极和负极之间，孔的大小根据光纤传感器的数量确定，在孔处引出光纤传感器后进行密封。
9.如权利要求7所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，覆盖第二层薄膜基膜后，将两层薄膜基膜的边缘进行粘合，最后进行烘干，制得光纤传感器阵列薄膜。
10.基于权利要求1所述的嵌入光纤传感器的电池结构在实现电池温度/应力多点测量中的应用，监测电池内部不均匀的温度/应力场及其演变情况，消除高倍率充放电带来的单点测量误差。
...【技术特征摘要】
1.嵌入光纤传感器的电池结构，其特征在于，包括：所述电池结构由多层卷芯以及光纤传感器阵列薄膜组成，每个卷芯由正极材料、负极材料和隔膜通过缠绕形成，外层由外壳包裹；
2.基于权利要求1所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，获取电池卷芯大小，根据电池卷芯大小确定薄膜的大小；在所述薄膜上分别确定电池内部中心测量点以及电池局部中心测量点；制备薄膜基膜，根据中心测量点以及局部中心测量点的位置，对所述薄膜基膜进行分割；基于薄膜基膜分割后的表面，构建光纤通道凹槽，将光纤传感器嵌入所述光纤通道凹槽内，对其进行封装，得到光纤传感器阵列薄膜。
3.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，根据电池卷芯大小确定薄膜的长度和宽度，将所述薄膜的大小与电池卷芯的大小设置趋近一致。
4.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，确定电池内部中心测量点，包括：
5.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，确定电池局部中心测量点，包括：
6.如权利要求2所述的嵌入光纤传感器的电池结构的光纤传感器柔性嵌入方法，其特征在于，制备薄膜基膜，包括：将多层聚偏氟乙烯膜和多层...
【专利技术属性】
技术研发人员：张承慧，朱昱豪，商云龙，顾鑫，王越，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：
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