(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 20221090704 4.7 (22)申请日 2022.07.29 (71)申请人 浙江大学湖州研究院 地址 313000 浙江省湖州市西塞山路819号 南太湖新区科技创新综合体B1、 B2幢 2-3层 (72)发明人 吴迎春　刘洋鹏　秦腊　吴学成　 (74)专利代理 机构 上海新隆知识产权代理事务 所(普通合伙) 31366 专利代理师 金利琴 (51)Int.Cl. H01M 10/48(2006.01) H01M 10/42(2006.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多 特征检测装置及方法 (57)摘要 本发明公开一种基于光纤光栅的锂电池热 失控内部多特征检测装置及方法， 该装置包括微 型布拉格光栅光纤组件、 激光分光装置、 多功能 光纤、 激光发射及光纤信号处理器， 微型布拉格 光栅光纤组件在正极与隔膜间或负极与隔膜间 以螺旋式布置， 调制分光玻璃层与纤芯成45 °。 所 述的锂电池热失控内部多特征检测装置可用于 检测热失控的极早期特征值， 包括氢气、 温度、 压 力。 与现有 技术相比， 本发明具有测量精度高， 测 量维度多， 可 获知电池内部特征参数的空间分布 特征， 准确获取锂电热失控 过程内部的空间分辨 信息， 为热失控的判定提供 更立体、 可靠的依据。 权利要求书3页 说明书5页 附图2页 CN 115377540 A 2022.11.22 CN 115377540 A 1.一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置， 其特征在于： 包含微型布 拉格光栅光纤组， 通过光纤连接的激光分光装置和激光发射及光纤信号处理器； 所述微型 布拉格光栅光纤组包括纤芯、 光纤布拉格光栅、 包层、 调制分光 玻璃层、 纵向测量保护窗、 横 向测量保护窗和涂层； 所述微型布拉格光栅光纤组在正极与隔膜间或负极与隔膜间以螺旋 式布置； 所述激光发射及光纤信号处理器产生连续的激光束， 激光沿着所述光纤传播到达所述 激光分光装置， 激光分光后进入所述微型布拉格光栅光纤组件， 沿着所述纤芯传播经过所 述布拉格光栅一部分发生反射， 另外一部 分到达所述调制分光玻璃层， 分光后， 一部 分通过 所述纵向测量保护窗， 另外一部分通过所述横向测量保护窗； 经过布拉格光栅反射的光信 号被所述激光发射及光纤信号处理器接收， 该激光发射及光纤信号处理器接收到的反射光 的中心波长偏离程度反应电池内部温度高低、 压力大小和氢气浓度。 2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置， 其 特征在于， 所述纤芯和包层采用石英材质， 所述纵向测量保护窗和横向测量保护窗采用耐 高温、 耐腐蚀特种玻璃， 纵向测量保护窗直径低于90 μm。 3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置， 其 特征在于， 所述纤芯中心波长为15 50nm。 4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置， 其 特征在于， 所述调制分光玻璃层， 与纤芯成45 °， 分光比为1： (N +i‑1)， N为纵向测量保护窗数 量， i为当前纵向测量保护窗编号。 5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置， 其 特征在于， 所述涂层为含 钯金属或三氧化钨材 料的薄膜。 6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置， 其 特征在于， 电池内部温度、 压力以及氢气浓度的变化会导致所述光纤布拉格光栅的栅距发 生改变， 最终影响接受到的反射 光中心波长， 光 栅的中心波长的影响可以通过 下列公式： 式中， λB原始反射光中心波长， ΔλB分别为反射光的中心波长偏移量， Pe为光纤有效弹 光系数， Δε为所述微型布拉格光栅光 纤组件的轴向应变， αf为光纤材料的热膨胀系数， ξ为 热光系数， αsub为热光系数涂层的热膨胀系数； 所述微型布拉格光栅光纤组件轴向应变Δε与环境中的氢气浓度、 压力有关， 氢气浓度 增加时涂层产生的轴向应力增加； 压力增加时微型布拉格光栅光纤组件先产生径向应变， 进而产生轴向应 变， 其关系描述如下： Δ ε＝KPΔP+f(ΔwH2) 式中， Kp为传感器压力灵敏度， 通过实验标定获得； ΔP为测点压力变化量； ΔwH2为测点 氢气浓度变化 量； f(ΔwH2)轴应力与氢气浓度的表达式通过实验标定获得。 7.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置， 其 特征在于， 采用三个微型布拉格光栅光纤组件,所述微型布拉格光栅光纤不添加涂层， 微型 布拉格光栅光纤组件感受正应力， 微型布拉格光栅光纤组件感受负应力， 联立三组方程即 可解出所述电池内部温度、 压力和氢气浓度；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115377540 A 2式中， λB,1, λB,2, λB,3分别为三个微型布拉格光栅光纤组件原始反射光波长， ΔλB,1,Δ λB,2,Δ λB,3分别为三个微型布拉格光 栅光纤组件反射 光的中心波长偏移量。 8.一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法， 其特征在于， 包括以下步 骤： 1)发射步骤， 激光发射装置发射激光， 激光沿着光纤传播经过激光分光装置到达微型 布拉格光 栅光纤组件； 2)接收步骤， 光纤信号处 理器接受到 两组不同的光信号， 并且将光信号 解调； 3)判断步骤， 数据采集终端接收光电探测器的光信号， 测点处的温度、 压力以及氢气浓 度导致光纤产生形变， 光信号的中心波长的偏移量可以分析 得出温度、 压力以及氢气浓度。 9.根据权利要求8所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法， 其 特征在于， 由探测光源发出 的光束经激光分光装置， 通过光纤传播至带有微型布拉格光栅 光纤组件的测量区域， 氢气浓度会影响涂层的脱落/增加， 产生轴向应变； 温度会导致热胀 冷缩以及压力的作用， 进而影响通过光栅的反射光信号的中心波长； 光栅的中心波长的影 响可以通过 下列公式： 式中， Pe为光纤有效弹光系数， Δ ε为微型布拉格光栅光纤组件的轴向应变， αf为光纤材 料的热膨胀系数， ξ 为热光系数， αsub为热光系数涂层的热膨胀系数； 所述微型布拉格光栅光纤组件轴向应变Δε与环境中的氢气浓度、 压力有关， 氢气浓度 增加时涂层产生的轴向应力增加； 压力增加时微型布拉格光栅光纤组件先产生径向应变， 进而产生轴向应 变， 其关系描述如下： 式中， Kp为传感器压力灵敏度， 可以通过实验标定获得； ΔP为测点压力变化量； 为 测点氢气浓度变化 量； 轴应力与氢气浓度的表达式通过实验标定获得。 10.根据权利要求9所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法， 其 特征在于， 同时使用三个微型布拉格光栅光纤组件， 微型布拉格光栅光纤不添加涂层， 微型 布拉格光栅光纤组件感受正应力， 微型布拉格光栅光纤组件感受负应力， 联立方程求解得 到温度、 压力和氢气浓度。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115377540 A 3