[發明專利]一種監測鋰離子電池的多功能光纖傳感器、系統及其制作方法

在審

• 申請號: 201910629344.1
• 申請日: 2019-07-12
• 公開（公告）號: CN110411508A
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 袁友偉;馬云鵬;鄢臘梅;賀慧敏;李萬清;胡海洋
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;H01M10/42;G02B6/028
• 代理公司: 浙江永鼎律師事務所 33233
• 代理人: 陸永強

本發明公開了一種監測鋰離子電池的多功能光纖傳感器、系統及其制作方法，其中監測鋰離子電池的多功能光纖傳感器包括荷電狀態傳感器和溫度傳感器，二者串聯，并均以多模光纖為基底，其中，多模光纖由內至外為二氧化硅芯、摻氟包層和丙烯酸酯涂層；荷電狀態傳感器為將多模光纖在氫氟酸中濕法蝕刻，使摻氟包層變薄，形成光纖倏逝波傳感器，即為荷電狀態傳感器；溫度傳感器串聯在荷電狀態傳感器后端，將多模光纖的摻氟包層蝕刻變薄，外層涂覆以PMMA為基質的熒光層。本發明能同時測量鋰離子電池兩個重要電池參數：溫度和荷電狀態，相互無干擾，靈敏度高。

技術領域

本發明屬于新能源領域，特別涉及一種監測鋰離子電池的多功能光纖傳感器、系統及其制作方法。

背景技術

由于2000年代中期的社會經濟環境，人們對電動汽車產生了新的興趣。自2010年以來，所有主要的汽車公司都發布了電動汽車。最初，混合動力汽車(HEV)是電動汽車的主要類型。然而，在最近幾年來，純電動汽車(BEV)呈現出良好的發展勢頭。過去，純電動汽車的車載能源供應主要是基于鉛酸或鎳氫電池。近年來，鋰離子電池成為優選。

磷酸鐵鋰(LFP)已被確定為用于電動車輛的更有利的正極(陰極)。其化學性質能夠有效改善電池的性能。此外，磷酸鐵鋰電池本身更安全。然而，磷酸鐵鋰面臨一些阻礙其廣泛應用的重大挑戰。

磷酸鐵鋰電池對開路電壓(OCV)和荷電狀態(SOC)的響應相對平坦。這種相對平坦的電壓響應引起了使用更傳統的電化學方法估計磷酸鐵鋰電池的荷電狀態的挑戰，特別是在部分循環期間(如在汽車應用中)。另一個重要的考慮因素是電池的工作溫度。盡管溫度的升高改善了鋰嵌入過程的動力學問題，但是它對固體電解質界面膜(SEI)的形態產生不利的影響并導致其降解。由于離子的擴散速率低，低溫導致鋰金屬電鍍在電極上。因此，鋰離子電池的工作溫度是有限的。在非最佳操作溫度下觀察到老化加速，這對電池的健康狀態(SOH)產生不利影響。在汽車的使用環境中，預計會有較大的溫度變化。因此用于估計鋰離子電池的SOC和SOH的傳感器是非常期望的，有關電池溫度的信息對于估算SOH至關重要。

目前，通常使用熱電偶測量鋰離子電池的內部溫度。但是，隨著電池功率密度的增加，熱電偶會導致讀數不準確。電池的內部溫度通常與測量的表面溫度有明顯偏離，因此導致SOC和SOH估計中的長久誤差。從長遠來看，這可能會損壞電池。另一種方法，執行電池的熱建模獲得電池的內部溫度估計，但是這種方法往往容易出錯。此外，它需要額外的計算能力，這在諸如車輛之類的實時場景中很難獲得。以更高可信度估計電池內部溫度的其他方法包括嵌入電池內部的微機電系統(MEMS)的溫度傳感器，由于它們的復雜制造工藝，往往價格昂貴。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供監測鋰離子電池的多功能光纖傳感器、系統及其制作方法，能夠同時獲得鋰離子電池的荷電狀態和溫度。

為達到上述目的，本發明提供了一種監測鋰離子電池的多功能光纖傳感器，包括荷電狀態傳感器和溫度傳感器，二者串聯，并均以多模光纖為基底，其中，

所述多模光纖由內至外為二氧化硅芯、摻氟包層和丙烯酸酯涂層；

所述荷電狀態傳感器為將多模光纖在氫氟酸中濕法蝕刻，使摻氟包層變薄，形成光纖倏逝波傳感器，即為荷電狀態傳感器；

所述溫度傳感器串聯在荷電狀態傳感器后端，將多模光纖的摻氟包層蝕刻變薄，外層涂覆以PMMA為基質的熒光層。

優選地，所述多模光纖的二氧化硅芯的直徑為95μm，摻氟包層的厚度為115μm，丙烯酸酯涂層的厚度為110μm。

優選地，所述荷電狀態傳感器在825nm波長的LED照射下，光學透射率與鋰離子電池電壓曲線變化趨勢相同。

優選地，所述溫度傳感器在450nm波長的LED照射下，激發熒光層將波長轉換為600nm，轉換效率與溫度對應。