[发明专利]一种监测锂离子电池的多功能光纤传感器、系统及其制作方法

说明书

本发明公开了一种监测锂离子电池的多功能光纤传感器、系统及其制作方法，其中监测锂离子电池的多功能光纤传感器包括荷电状态传感器和温度传感器，二者串联，并均以多模光纤为基底，其中，多模光纤由内至外为二氧化硅芯、掺氟包层和丙烯酸酯涂层；荷电状态传感器为将多模光纤在氢氟酸中湿法蚀刻，使掺氟包层变薄，形成光纤倏逝波传感器，即为荷电状态传感器；温度传感器串联在荷电状态传感器后端，将多模光纤的掺氟包层蚀刻变薄，外层涂覆以PMMA为基质的荧光层。本发明能同时测量锂离子电池两个重要电池参数：温度和荷电状态，相互无干扰，灵敏度高。

技术领域

本发明属于新能源领域，特别涉及一种监测锂离子电池的多功能光纤传感器、系统及其制作方法。

背景技术

由于2000年代中期的社会经济环境，人们对电动汽车产生了新的兴趣。自2010年以来，所有主要的汽车公司都发布了电动汽车。最初，混合动力汽车(HEV)是电动汽车的主要类型。然而，在最近几年来，纯电动汽车(BEV)呈现出良好的发展势头。过去，纯电动汽车的车载能源供应主要是基于铅酸或镍氢电池。近年来，锂离子电池成为优选。

磷酸铁锂(LFP)已被确定为用于电动车辆的更有利的正极(阴极)。其化学性质能够有效改善电池的性能。此外，磷酸铁锂电池本身更安全。然而，磷酸铁锂面临一些阻碍其广泛应用的重大挑战。

磷酸铁锂电池对开路电压(OCV)和荷电状态(SOC)的响应相对平坦。这种相对平坦的电压响应引起了使用更传统的电化学方法估计磷酸铁锂电池的荷电状态的挑战，特别是在部分循环期间(如在汽车应用中)。另一个重要的考虑因素是电池的工作温度。尽管温度的升高改善了锂嵌入过程的动力学问题，但是它对固体电解质界面膜(SEI)的形态产生不利的影响并导致其降解。由于离子的扩散速率低，低温导致锂金属电镀在电极上。因此，锂离子电池的工作温度是有限的。在非最佳操作温度下观察到老化加速，这对电池的健康状态(SOH)产生不利影响。在汽车的使用环境中，预计会有较大的温度变化。因此用于估计锂离子电池的SOC和SOH的传感器是非常期望的，有关电池温度的信息对于估算SOH至关重要。

目前，通常使用热电偶测量锂离子电池的内部温度。但是，随着电池功率密度的增加，热电偶会导致读数不准确。电池的内部温度通常与测量的表面温度有明显偏离，因此导致SOC和SOH估计中的长久误差。从长远来看，这可能会损坏电池。另一种方法，执行电池的热建模获得电池的内部温度估计，但是这种方法往往容易出错。此外，它需要额外的计算能力，这在诸如车辆之类的实时场景中很难获得。以更高可信度估计电池内部温度的其他方法包括嵌入电池内部的微机电系统(MEMS)的温度传感器，由于它们的复杂制造工艺，往往价格昂贵。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供监测锂离子电池的多功能光纤传感器、系统及其制作方法，能够同时获得锂离子电池的荷电状态和温度。

为达到上述目的，本发明提供了一种监测锂离子电池的多功能光纤传感器，包括荷电状态传感器和温度传感器，二者串联，并均以多模光纤为基底，其中，

所述多模光纤由内至外为二氧化硅芯、掺氟包层和丙烯酸酯涂层；

所述荷电状态传感器为将多模光纤在氢氟酸中湿法蚀刻，使掺氟包层变薄，形成光纤倏逝波传感器，即为荷电状态传感器；

所述温度传感器串联在荷电状态传感器后端，将多模光纤的掺氟包层蚀刻变薄，外层涂覆以PMMA为基质的荧光层。

优选地，所述多模光纤的二氧化硅芯的直径为95μm，掺氟包层的厚度为115μm，丙烯酸酯涂层的厚度为110μm。

优选地，所述荷电状态传感器在825nm波长的LED照射下，光学透射率与锂离子电池电压曲线变化趋势相同。

优选地，所述温度传感器在450nm波长的LED照射下，激发荧光层将波长转换为600nm，转换效率与温度对应。