植入式柔性薄膜多点温度传感器、制作方法、故障辨识系统及方法与流程

本技术涉及锂离子电池内部原位传感与故障诊断技术，尤其涉及一种植入式柔性薄膜多点温度传感器、制作方法、故障辨识系统及方法。

背景技术：

1、锂离子电池具有能量密度高、循环性能好和便于集成等优点，已广泛应用于新能源汽车、储能系统及便携式电子装置等设备。由于其采用高能量密度电极材料和易燃有机电解液，对高温、过充、过放、机械碰撞及制造缺陷等因素较为敏感。上述因素会加速电池老化并加剧内部参数的不一致性，使用或存储过程中还可能出现析锂、漏液、鼓胀、内部短路和热失控等故障。若异常未被及时识别，不仅会导致容量衰减和循环性能下降，严重时还可能引发燃烧或爆炸事故。

2、锂离子电池在充放电过程中，电化学反应、欧姆内阻、极化和离子扩散等过程均会产生热量。在高倍率充放电、过充或散热条件不良时，内部产热速率可能超过散热速率，造成热量持续积累；电极材料与界面状态的不均匀性、局部高电流密度、极耳连接状态及活性材料缺陷还会导致空间非均匀产热。电池内部温度及其变化速度能够反映循环稳定性和安全风险，是电池热管理与故障预警的重要监测参数。

3、现有电池温度监测通常以壳体或软包表面温度作为评价依据。受电池多层叠片或卷绕结构以及各组件导热性能差异的影响，内部热量传递至表面需要一定时间。在高倍率运行或局部故障产热条件下，电池表面温度与内部实际温度之间可能存在明显偏差，且表面温度响应相对于内部温度具有滞后性。因此，仅依靠表面温度难以及时发现电芯内部早期异常产热和隐蔽热点。由此，产生了电池内部测温方案。

4、现有的内部测温方案多采用打孔植入商用热电偶、热敏电阻或光纤传感器，通常只能实现单点或少量点位测量，可能破坏电池封装完整性并对极片层间结构产生扰动。随着大尺寸电芯和高倍率应用的发展，局部高电流密度区、极耳邻近区和活性材料缺陷区更容易形成局部热点，单点温度难以反映热点的位置、范围和演变过程。

5、析锂是高倍率充电条件下可能出现的重要故障之一。负极局部动力学不足或传质受限时，锂离子可能在负极表面沉积并进一步形成枝状结构，既会消耗活性锂，又可能刺穿隔膜并诱发内部短路。析锂区域可能伴随局部阻抗和副反应产热变化，但仅靠电池端电压、表面温度或充电电流难以准确定位。

技术实现思路

1、本技术提供了一种植入式柔性薄膜多点温度传感器、制作方法、故障辨识系统及方法，以至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本技术的技术方案如下：

2、第一方面，本技术实施例提出了一种植入式柔性薄膜多点温度传感器，包括：柔性基底及其上部署的温度敏感层、冷端温度检测元件和信号引出焊盘，所述温度敏感层包括多条锑薄膜导体和多条铋薄膜导体，所述多条锑薄膜导体和多条铋薄膜导体在柔性基底的多个位置形成锑铋异质结作为测温点，所述锑薄膜导体、所述铋薄膜导体和所述冷端温度检测元件均连接所述信号引出焊盘。

3、在一些实现方式中，所述温度敏感层包括锑铋薄膜热电偶阵列，所述锑铋薄膜热电偶阵列包括多个锑铋薄膜热电偶单元，所述锑铋薄膜热电偶单元包括一条锑薄膜导体和多条铋薄膜导体，多条铋薄膜导体的一端分别与所述锑薄膜导体的多个连接点形成锑铋异质结。

4、在一些实现方式中，所述温度敏感层上设置有保护膜，所述保护膜通过热压覆合方式覆盖于所述温度敏感层上方；所述锑薄膜导体和所述铋薄膜导体的线宽均为0.4mm，所述锑薄膜导体和铋薄膜导体的厚度均为4.5μm，所述柔性基底为厚度为70μm的柔性pet基底，所述冷端温度检测元件为a级精度pt1000。

5、在一些实现方式中，所述锑铋薄膜热电偶阵列包括十个锑铋薄膜热电偶单元，所述锑铋薄膜热电偶单元包括一条锑薄膜导体和三条铋薄膜导体，三条铋薄膜导体的一端分别与所述锑薄膜导体的三个连接点形成锑铋异质结。

6、第二方面，本技术实施例提出了一种植入式柔性薄膜多点温度传感器的制作方法，其特征在于，所述植入式柔性薄膜多点温度传感器为第一方面所述的植入式柔性薄膜多点温度传感器，所述方法包括：

7、获取与待植入锂离子电池的负极片尺寸匹配的柔性基底，清洁所述柔性基底；

8、利用掩膜版限定所述锑薄膜导体、所述铋薄膜导体、所述测温点、信号引出焊盘以及各锑薄膜导体和铋薄膜导体对应的引出走线的图形；

9、采用真空蒸镀依次沉积锑薄膜导体和铋薄膜导体，在所述温度敏感层与所述信号引出焊盘之间设置银浆连接部；

10、热压覆合保护膜，并在所述柔性基底的预留连接部设置所述冷端温度检测元件。

11、第三方面，本技术实施例提出了一种电池内部热异常与析锂故障辨识系统，其特征在于，所述系统包括：

12、如第一方面所述的植入式柔性薄膜多点温度传感器，所述植入式柔性薄膜多点温度传感器的平面尺寸与电池的极片尺寸相匹配，所述植入式柔性薄膜多点温度传感器设置于锂离子电池的电芯层间；

13、信号处理系统，所述信号处理系统被配置为，获取所述植入式柔性薄膜多点温度传感器的多个测温点的温度响应信号和冷端温度检测元件的冷端温度，基于多个测温点的温度响应信号和所述冷端温度，得到各测温点的温度；

14、根据多个测温点的空间位置和温度，得到电池内部温度分布数据；

15、基于所述电池内部温度分布数据和异常判定规则，得到电池内部温度异常识别结果；

16、在所述电池内部温度异常识别结果表征存在局部异常高温区域和/或局部温升区域时，将该局部异常高温区域和/或局部温升区域的坐标映射至对应极片区域，将该极片区域标注为疑似析锂故障区域。

17、在一些实现方式中，所述信号处理系统在基于所述电池内部温度分布数据和异常判定规则，得到电池内部温度异常识别结果时，用于：

18、基于电池内部温度分布数据，判断各测温点的温度与其临近的多个测温点的平均温度之间的差值是否大于温差阈值；

19、若第一目标测温点的温度与其临近的多个测温点的平均温度之间的差值是否大于温差阈值，将该第一目标测温点对应的区域判定为局部异常高温区域；和/或，

20、基于相邻多个时刻的电池内部温度分布数据，判断各测温点的温升速率是否大于温升速率阈值；

21、若第二目标测温点的的温升速率大于温升速率阈值，将该第二目标测温点对应的区域判定为局部异常高温区域；和/或，

22、基于电池内部温度分布数据，判断多个预设局部空间的温度梯度是否大于梯度阈值；

23、若目标预设局部空间的温度梯度大于梯度阈值，将该目标预设局部空间判定为局部温升区域。

24、第四方面，本技术实施例提出了一种电池内部热异常与析锂故障辨识方法，所述方法包括：

25、在电池生产过程中，将如第一方面所述的植入式柔性薄膜多点温度传感器设置于锂离子电池的电芯层间；

26、在锂离子电池充电过程中，获取所述植入式柔性薄膜多点温度传感器的多个测温点的温度响应信号和冷端温度检测元件的冷端温度，基于多个测温点的温度响应信号和所述冷端温度，得到各测温点的温度；

27、根据多个测温点的空间位置和温度，得到电池内部温度分布数据；

28、基于所述电池内部温度分布数据和异常判定规则，得到电池内部温度异常识别结果；

29、在所述电池内部温度异常识别结果表征存在局部异常高温区域和/或局部温升区域时，将该局部异常高温区域和/或局部温升区域的坐标映射至对应极片区域，将该极片区域标注为疑似析锂故障区域。

30、在一些实现方式中，所述基于所述电池内部温度分布数据和异常判定规则，得到电池内部温度异常识别结果，包括：

31、基于电池内部温度分布数据，判断各测温点的温度与其临近的多个测温点的平均温度之间的差值是否大于温差阈值；

32、若第一目标测温点的温度与其临近的多个测温点的平均温度之间的差值是否大于温差阈值，将该第一目标测温点对应的区域判定为局部异常高温区域；和/或，

33、基于相邻多个时刻的电池内部温度分布数据，判断各测温点的温升速率是否大于温升速率阈值；

34、若第二目标测温点的的温升速率大于温升速率阈值，将该第二目标测温点对应的区域判定为局部异常高温区域；和/或，

35、基于电池内部温度分布数据，判断多个预设局部空间的温度梯度是否大于梯度阈值；

36、若目标预设局部空间的温度梯度大于梯度阈值，将该目标预设局部空间判定为局部温升区域。

37、在一些实现方式中，标注疑似析锂故障区域之后，包括：

38、按安全规程对电池进行放电和拆解；

39、检查与所述疑似析锂故障区域对应的负极片表面形貌是否存在异常沉积；

40、在存在异常沉积的情况下，对该区域进行电镜观察，得到电镜图；

41、早电镜图显示枝状沉积形貌时，判定该区域存在析锂及锂枝晶风险。

42、本技术具有如下优点和有益效果：

43、本技术采用柔性基底、锑/铋薄膜导体和热压保护层构成多点温度传感器，整体厚度小、柔顺性好，可在电池制造过程中原位设置于电芯层间，能够适应极片之间的有限空间和充放电过程中的微小形变，降低对电池原有封装结构、电化学体系及内部装配状态的扰动。通过在同一柔性基底上设置多个具有明确空间坐标的测温点，可连续获取电池内部不同位置的温度变化，并据此重构温度分布。相较于电池表面测温或内部单点测温，本技术能够同时反映整体温升和局部温差，提升对极耳邻近区、局部高电流密度区及活性材料异常区等隐蔽热点的空间识别能力。

44、本技术通过将多个测温点对应的局部温度与邻域温度、空间温度梯度、历史基线或温升速率进行比较，能够通过预设判据从非均匀背景温度场中提取局部异常高温区域，减少仅以最高温度或单一固定温度阈值判断所造成的误判，并可根据不同电池型号、环境温度和运行倍率调整判据。通过建立测温点坐标系与极片平面坐标系之间的映射关系，本技术能够将在线检测到的局部热点转换为可供拆解检查的具体极片区域，使温度监测结果不再局限于显示温度数值，而可直接用于故障区域定位、定点取样和后续材料分析。

45、高倍率充电试验表明，本技术能够识别电池内部局部产热异常形成的高温区，对热点对应区域进行拆解检查后，负极片出现异常沉积，电镜图中进一步观察到枝状沉积形貌，说明该方法可将内部温度异常与析锂及锂枝晶风险进行关联，为析锂故障的早期筛查提供新的原位信息来源。

46、本技术的锑/铋薄膜热电偶基于塞贝克效应输出与冷热端温差相关的热电势，并采用a级精度pt1000进行冷端温度补偿，可满足电池充放电过程中动态温度测量的需要；双焊盘分别引出多个测温点，可减少单一引出端的布线拥挤，便于与fpc软排座或柔性采集电路连接。

47、本技术形成了“内部多点测温—温度场重构—局部异常定位—极片位置映射—拆解与电镜验证”的完整技术链，可用于电池热管理策略优化、热失控早期预警、析锂风险评估、电池安全评价以及失效机理研究，具有较好的工程应用和试验分析价值。

48、本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。