Wie kann die Temperaturverteilung im Inneren von Antriebsbatterien überwacht werden?
Die Überwachung der Temperaturverteilung im Inneren von Antriebsbatterien (wie Lithium-Ionen- oder Feststoffbatterien) ist eine Kernmethode zur Bewertung der Vorwarnung von thermischem Durchgehen, zur Optimierung von Batteriemanagementsystemen (BTMS) und zur Analyse der elektrochemisch-thermischen Kopplungseigenschaften im Inneren der Batteriezellen. Aufgrund der Hochspannungs-, starken elektromagnetischen Feld- und stark korrosiven chemischen Umgebung im Inneren von Batterien bergen herkömmliche elektrische Sensoren (wie NTC-Thermistor, Thermoelemente) beim internen Einsatz Risiken wie Kurzschlüsse, elektromagnetische Störungen und Schwierigkeiten bei der Versiegelung aufgrund der vielen Zuleitungen.
Überwachungsansätze, die auf der Faseroptik-Sensortechnologie basieren (insbesondere Faser-Bragg-Gitter-FBG und verteilte Glasfaser-Sensorik), mit ihren Fähigkeiten zur intrinsischen Sicherheit, Isolation gegen Störungen, extrem kleinen Außendurchmessern und Mehrpunkt-/kontinuierlichen Verteilungsmesstechnik, sind zu den dominierenden technischen Wegen für die interne Temperaturfeldüberwachung von Antriebsbatterien geworden.
I. Haupttechnische Ansätze zur Überwachung der internen Temperaturverteilung von Antriebsbatterien
1. Faser-Bragg-Gitter (FBG) Mehrpunkt-Quasi-Verteilte Überwachungslösung
- Prinzip: Unter Verwendung von Femtosekundenlaser oder kohärentem Licht werden mehrere Faser-Bragg-Gitter (FBGs) in einer einzelnen Glasfaser geschrieben, wobei jedes Gitter einem spezifischen zentralen Reflexionswellenlängenbereich \lambda_B entspricht. Temperaturänderungen führen zu Änderungen des Glasfaserbrechungsindex und des Gitterabstands, was zu einer Verschiebung der reflektierten Wellenlänge \Delta \lambda_B führt:\Delta \lambda_B = \lambda_B (\alpha + \xi) \Delta THierbei sind \alpha der Wärmeausdehnungskoeffizient und \xi der thermische optische Koeffizient, und \Delta T ist die Temperaturänderung.
- Merkmale: Mehrere Messpunkte können auf einer einzigen Glasfaser seriell geschaltet werden (z. B. 5 bis 20 FBGs auf derselben Glasfaser). Sie werden einmalig zwischen die Elektroden der Batteriezelle, in den Kern oder in die Spalte des Moduls eingelegt, um ein linienförmiges oder gitterförmiges Temperaturüberwachungsarray zu bilden.
2. Frequenzbereichs-Reflektometrie basierend auf Rayleigh-Streuung (OFDR verteilte Überwachung)
- Prinzip: Verwendung eines sweependen Lasers in Verbindung mit optischer Interferometrietechnik, um die Verschiebung des Rayleigh-Streuungs-Spektrums aufgrund von Inhomogenitäten in der Struktur einer gewöhnlichen Singlemode-Glasfaser auszulesen.
- Merkmale: Ermöglicht eine hochdichte kontinuierliche Temperaturverteilungsmessung mit Millimeter-räumlicher Auflösung (z. B. Extraktion von Temperaturdaten alle 1\text{ mm}), was sich sehr gut für die Modellierung der thermischen Entwicklung und die genaue Lokalisierung lokaler Hotspots während der Batterieforschung und -entwicklung eignet.
II. Kritische technische Anforderungen für die interne Batteriedeponierung
- Miniaturisierung und geringe Invasivität: Der Außendurchmesser des Sensors muss extrem klein sein (typischerweise zwischen 0,5\text{ mm} und 0,9\text{ mm}), um eine Beschädigung der Kernstruktur oder eine lokale Spannungskonzentration bei der Einführung in die Batteriezelle zu vermeiden.
- Isolation und Schutzverpackung: Verwendung von korrosionsbeständigen nahtlosen Metallrohren oder isolierenden Polymer-/Keramikgehäusen zur Trennung von Elektrolytkorrosion und Hochspannungskurzschlussrisiken.
- Passendes Auslesesystem: Kombination mit einem Faser-Bragg-Gitter-Auslesegerät mit hoher Abtastrate zur Verfolgung schneller thermischer Reaktionen im Millisekundenbereich ( 100\text{ Hz} bis 1\text{ kHz} ).
III. Zugehörige offizielle OFSCN®-Produkte und technische Parameter
Für die Anforderungen an die Überwachung der Temperaturverteilung im Inneren von Antriebsbatterien und Batteriepaketen hat Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) eine Produktreihe von Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensoren mit extrem kleinem Außendurchmesser und hoher Abdichtung entwickelt:
1. OFSCN® 100°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Dieses Produkt verwendet eine nahtlose Stahlrohrverpackung mit extrem kleinem Durchmesser und ist speziell für die Mehrpunkt-Temperaturüberwachung im Inneren/an der Oberfläche von herkömmlichen Antriebsbatterietests und Energiespeicherzellen konzipiert. Der standardmäßige Außendurchmesser beträgt nur 0,9\text{ mm}, und der minimale Außendurchmesser kann auf 0,6\text{ mm} angepasst werden. Ein einzelner Sensor kann mehrere FBG-Sensoren-Stränge mit Mehrpunktmessung integrieren (bei Verwendung eines 40\text{ nm} Bandbreiten-Auslesegeräts wird empfohlen, nicht mehr als 20 Messpunkte pro Sensor zu implementieren) und kann die Temperaturgradienten an mehreren Positionen der Batteriezelle auf einmal erfassen.
2. OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
Für Anforderungen an die Überwachung von thermischen Durchgehvorgängen bei hohen Temperaturen (experimentelle Umgebung) kann dieser Faser-Bragg-Gitter-Temperatursensor mit einer Temperaturbeständigkeit von 300^\circ\text{C} verwendet werden. Das Produkt hat einen Standardaußendurchmesser von 0,9\text{ mm}, der minimale Außendurchmesser kann 0,5\text{ mm} erreichen, und der Einsatztemperaturbereich liegt zwischen -200^\circ\text{C} und 300^\circ\text{C}. Es unterstützt auch die kundenspezifische kundenspezifische Reihenschaltung von Mehrpunkt-Faser-Bragg-Gittern zur Messung des Temperaturfeldes während extremer thermischer Durchgehvorgänge.