一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统的制作方法

本发明属于新能源电池安全监测，具体而言，涉及一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统。

背景技术：

1、随着高能量密度锂离子电池在新能源汽车及储能电站中的广泛应用，其安全问题，尤其是热失控引发的起火与爆炸日益凸显。电池热失控通常是由内部的放热链式反应引起的，包括固体电解质界面膜(sei)分解、电解液汽化、隔膜熔融及正负极短路等复杂物理化学过程。由于热失控演化极速且破坏性极大，实现对电池内部真实状态的原位诊断与多参数实时测量，对于探明热失控机理、实现极早期预警及优化电池安全管理具有重要意义。

2、目前，传统的电池安全监测手段主要依赖于布置在电池表面的热电偶或外部的电压/电流传感器。然而，由于电池内部材料的低热导率，表面温度的监测存在极大的时间滞后性。当外部系统监测到显著的温升或电压骤降时，电池内部往往已经发生了不可逆的物理结构破坏和剧烈的热累积，错过了最佳的预警与扑救窗口。因此，依靠外部表征的传统手段难以准确捕捉热失控的早期萌芽状态。

3、光纤传感器因其抗电磁干扰、体积微小及耐腐蚀等优势，成为深入电池内部进行原位监测的理想方案。特别是通过对温度、气压等多参数的同步获取，能够更全面地刻画电池内部的非正常演化轨迹。然而，现有的基于开放式微腔的光纤法布里-珀罗气压传感器在电池实际工况中面临严重缺陷，其极易被电解液或热失控早期产生的复杂气态副产物氢氟酸侵入并堵塞干涉腔，导致信号失真甚至传感器彻底失效。此外，在实际应用中，如何实现多参数测量中温度与气压的精准解耦以消除交叉敏感效应、以及如何突破依赖单一静态阈值的传统算法局限从而准确区分正常的可逆反应与危险的不可逆反应，仍是目前原位监测领域亟待解决的技术难题。

4、针对上述问题，本发明提出一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，旨在实现极端复杂环境下锂离子电池内部真实理化状态的高可靠性原位多参数动态监测与热失控极早期预警。

技术实现思路

1、本发明的目的是提出一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，包括光源模块、传感模块、解调模块和数据分析预警模块；所述光源模块包括ase宽带光源、光隔离器、耦合器，用于为传感系统提供宽光谱输出；所述传感模块包含集成于同一根单模光纤上的光纤布拉格光栅传感器和法布里-珀罗干涉仪传感器；所述传感模块原位植入所述锂离子电池的内部中心孔道，用于在热失控演化过程中连续同步监测电池内部的温度变化和气压变化；所述数据分析预警模块用于接收并解调出独立的内部温度参量和内部气压参量，并计算电池内部温度和气压随时间的微分曲线；该模块通过识别上述微分曲线中由可逆反应向不可逆反应转变的急剧转折区间，以实现热失控失效提前预警。

2、优选地，所述法布里-珀罗干涉仪传感器采用端面密封有弹性薄膜的全封闭腔体结构，通过所述弹性薄膜受外界气压挤压产生的物理形变来改变腔长。

3、优选地，所述法布里-珀罗干涉仪传感器的全密封弹性薄膜材质为耐氢氟酸腐蚀的氮化硅纳米薄膜，所述全封闭腔体内填充有惰性气体，以彻底隔绝电池内部电解液及复杂气态副产物进入干涉腔体。

4、优选地，所述传感模块的整体长度约为13mm，直径为125μm；其中，所述光纤布拉格光栅传感器的光栅长度为1mm；所述法布里-珀罗干涉仪传感器为全密封弹性薄膜结构，其初始腔长为0.1mm；所述光纤布拉格光栅传感器与所述法布里-珀罗干涉仪传感器之间保留有10mm的光纤间距，以避免光学干涉重叠。

5、优选地，所述传感模块的植入封装结构为：所述光纤布拉格光栅传感器和法布里-珀罗干涉仪传感器封装于氧化铝陶瓷管内；通过在锂离子电池负极中心位置开设的1mm孔道穿入电池内部，并在所述孔道处采用环氧树脂进行密封固化，以确保电池内部环境的气密性与传感模块的安全隔离。

6、优选地，所述光纤布拉格光栅传感器在25℃至600℃的温度范围内具有线性响应，其温度灵敏度达到10.1pm/℃；且该传感器对气压变化具有不敏感特征，其气压灵敏度为-6.3pm/mpa。

7、优选地，所述法布里-珀罗干涉仪传感器在0至2mpa的气压范围内具有线性响应，其气压灵敏度达到3847.2pm/mpa；且该传感器对温度变化不敏感，其温度灵敏度仅为0.5pm/℃。

8、优选地，所述光源模块采用宽带光源；所述解调模块利用光谱分析仪同步监测所述光纤布拉格光栅反射的窄带布拉格共振波长以及所述法布里-珀罗干涉仪反射的周期性宽带共振波长。

9、优选地，所述数据分析预警模块的提前预警逻辑依赖于对电池失效的两个不同响应阶段的捕捉：第一阶段特征为温度变化率快速上升而气压变化率保持恒定；第二阶段特征为气压变化率加速上升而温度变化率趋于平稳。

10、优选地，所述第一阶段与第二阶段的温度与气压微分曲线组合呈现为菱形特征响应；所述数据分析预警模块将这两个阶段之间的特征转折区间设定为安全预警区间。

11、优选地，所述安全预警区间的物理化学机制对应于电池内部电解液蒸发与固体电解质界面膜(sei)不可逆分解的临界状态；当内部温度达到70℃至80℃区间时，所述系统在电池发生不可逆损坏和安全阀排气之前触发预警信号。

12、为解决传统电池表面监测滞后及开放式传感器易受腐蚀的问题，本发明采用基于同一单模光纤集成的光栅与法布里-珀罗干涉仪联用技术方案，通过氮化硅薄膜全密封腔体结构及微分曲线特征识别方法，实现了内部参数的精准解耦与量化效果：一是在0～2mpa及25～600℃范围内彻底解决了交叉敏感误差，f-p腔气压灵敏度高达3847.2pm/mpa，光栅温度灵敏度达10.1pm/℃；二是在电池内部仅70℃至80℃的极早期阶段即可通过菱形特征区间准确捕捉不可逆反应临界点，将热失控预警时间大幅提前，具有极高的安全工程应用价值。

1.一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，包括光源模块、传感模块、解调模块和数据分析预警模块；所述光源模块包括ase宽带光源、光隔离器、耦合器，用于为传感系统提供宽光谱输出；所述传感模块包含集成于同一根单模光纤上的光纤布拉格光栅传感器和法布里-珀罗干涉仪传感器；所述传感模块原位植入所述锂离子电池的内部中心孔道，用于在热失控演化过程中连续同步监测电池内部的温度变化和气压变化；所述数据分析预警模块用于接收并解调出独立的内部温度参量和内部气压参量，并计算电池内部温度和气压随时间的微分曲线；该模块通过识别上述微分曲线中由可逆反应向不可逆反应转变的急剧转折区间，以实现热失控失效提前预警。

2.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉仪传感器采用端面密封有弹性薄膜的全封闭腔体结构，通过所述弹性薄膜受外界气压挤压产生的物理形变来改变腔长。

3.根据权利要求2所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉仪传感器的全密封弹性薄膜材质为耐氢氟酸腐蚀的氮化硅纳米薄膜，所述全封闭腔体内填充有惰性气体。

4.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述传感模块的整体长度约为13mm，直径为125μm；其中，所述光纤布拉格光栅传感器的光栅长度为1mm；所述法布里-珀罗干涉仪传感器为全密封弹性薄膜结构，其初始腔长为0.1mm；所述光纤布拉格光栅传感器与所述法布里-珀罗干涉仪传感器之间保留有10mm的光纤间距。

5.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述传感模块的植入封装结构为：所述光纤布拉格光栅传感器和法布里-珀罗干涉仪传感器封装于氧化铝陶瓷管内；通过在锂离子电池负极中心位置开设的1mm孔道穿入电池内部，并在所述孔道处采用环氧树脂进行密封固化，以确保电池内部环境的气密性与传感模块的安全隔离。

6.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅传感器在25℃至600℃的温度范围内具有线性响应，其温度灵敏度达到10.1pm/℃；且该传感器对气压变化具有不敏感特征，其气压灵敏度为-6.3pm/mpa。

7.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述法布里-珀罗干涉仪传感器在0至2mpa的气压范围内具有线性响应，其气压灵敏度达到3847.2pm/mpa；且该传感器对温度变化不敏感，其温度灵敏度仅为0.5pm/℃。

8.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述光源模块采用宽带光源；所述解调模块利用光谱分析仪同步监测所述光纤布拉格光栅反射的窄带布拉格共振波长以及所述法布里-珀罗干涉仪反射的周期性宽带共振波长。

9.根据权利要求1所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述数据分析预警模块的提前预警逻辑依赖于对电池失效的两个不同响应阶段的捕捉：第一阶段特征为温度变化率快速上升而气压变化率保持恒定；第二阶段特征为气压变化率加速上升而温度变化率趋于平稳。

10.根据权利要求9所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述第一阶段与第二阶段的温度与气压微分曲线组合呈现为菱形特征响应；所述数据分析预警模块将这两个阶段之间的特征转折区间设定为安全预警区间。

11.根据权利要求10所述一种基于光纤布拉格光栅和法布里-珀罗干涉仪联用的锂离子电池原位监测与失效预警系统，其特征在于，所述安全预警区间的物理化学机制对应于电池内部电解液蒸发与固体电解质界面膜(sei)不可逆分解的临界状态；当内部温度达到70℃至80℃区间时，所述系统在电池发生不可逆损坏和安全阀排气之前触发预警信号。