演讲题目：《基于光纤传感的动力电池失效预警》
报告人：同济大学汽车学院教授 魏学哲
时间：5月16日
一、动力电池失效及信号演变
今天讨论的核心议题为电池失效问题。在电池的长期使用过程中，其性能衰减、安全性能降低等现象均属于失效问题。随着电池技术的不断进步，铁锂的使用比例逐渐增加，电池的容量亦随之增大，从几十Ah发展至百Ah，乃至储能级别的数百安时（300Ah、500Ah、600Ah）。鉴于此，电池的失效问题愈发受到关注。此外，随着电池单体数量的增加，一个电池包内可能包含上百块电池，而这些电池在容量、电压、阻抗、温度场等方面的一致性问题日益凸显，使得电池失效问题的分析与管理变得更加复杂。从正向角度分析，明确何种因素会导致电池的功能失效。从逆向角度分析，需识别哪些信号能够反映该表征，所获取的信号是否能够逆向推导。需要从两个维度进行综合考量。
本次论坛的核心议题聚焦于动力电池领域。动力电池作为多种车型的关键组成部分，其使用方式多样，比如常规倍率循环、低温、高温。特别是近年来，快速充电技术的发展引起了业界的广泛关注。起初，该技术被称为快速充电，随后演变为超快速充电，而去年又出现了“闪充”这一新术语。未来可能会有更多新的术语出现，但可以确定的是，充电速率的提升趋势将持续。此外，快速充电所引发的过充问题亦成为了一个不容忽视的技术挑战。
在研究的初期阶段，我们主要依赖电信号进行观察，通过测量电压和电流来分析相关现象。正如我之前所述，随着电池容量的增大，单纯依赖电信号已不足以全面反映情况，例如铁锂电池在一段时间范围内对电压信号的反应并不敏感。因此，我们面临的问题是如何提升分析的维度。最初，我们考虑的最直接方法仍然是利用电信号，通过电压与电流的比值来计算阻抗，即采用电压工作站的常用方法，并将最敏感区域的研究成果应用于车载系统。接下来，我们转向热信号的研究，其中温度信号是最具代表性的。目前，电池包中已配备NTC温度传感器，但普遍认为温度测量的密度不足，特别是在快速充电过程中，温度上升速率较快，以及温度不一致性问题，使得温度测量密度显得尤为不足。此外，力信号的研究也逐渐受到重视，尤其是在快充导致电池膨胀、能量密度提高、硅碳负极材料的应用，以及固态电池技术出现后，力的问题成为研究焦点。同时，气体信号的研究也十分重要，包括正常循环产生的气体以及热失控引发的敏感信号。因此，寻找这些信号及其背后的因果关系，构建相应的逻辑框架，是当前研究的关键任务。
二、多维信号实现动力电池失效监测
以下是研究案例：
阻抗问题。依据外信号的判定，我们对阻抗进行了初步的分类。从低频至高频，不同频段的阻抗特性各异，我们将这些特性逐一区分，并探究其相互间的对应关系,再进一步探讨如何精确测量阻抗。我们已投入约十年时间，取得两项主要进展。首先，该技术已成功应用于多种设备，包括电池的分选、售后检测以及梯次利用电池的筛选。同时，有学生基于此技术创立了一家名为智云的公司。此外，本研究团队目前正与芯片制造企业合作，致力于将该技术应用于芯片管理，并在汽车上实现电化学阻抗谱（EIS）技术的集成，这是在电信号领域取得突破。
此外，我们也提及了数据驱动方法，即人工智能方法（AI），其应用日益广泛。在早期，车载数据主要为电压数据，例如运行过程中的电压数据。当前，这些数据的范围得以进一步拓展。例如，充电后电压的下降过程及其持续状态，与电池老化过程密切相关。此外，若能实时测量阻抗，尤其是宽带宽阻抗，因为该阻抗与SOH及自放电率均存在关联，因此，基于阻抗的方法具有丰富的研究潜力，能够揭示电池的特征信息。当然，这些信息均为电信号范畴。
除了电信号之外，包括前述的热信号，最易测量的参数实际上是温度。例如，低温循环、高倍率循环、高温循环、高温搁置，这些均为电池典型的衰减模式。经过这些退化过程后进行充放电，温度的变化将呈现差异性，从而提示我们反向测量温度，以揭示电池所经历的具体过程及其退化状态，这反映了电池的正常老化过程。在热失控相关的研究领域中，温度变化是预警热失控风险的关键指标。然而，由于电池内部各区域的温度分布不均，例如电池极耳部分的温度就与其他部位存在差异。此外，即便在车辆中实施了冷却措施，如底面冷却或大面积冷却，温度仍表现为变量而非标量，这增加了研究的复杂性。因此，研究不应仅限于单体电池，还必须考虑散热环境的影响。对于温度监测点和温度管理策略的布局，需要基于对电池内部温度场的深入分析，以及对关键位置的精确布置。为了制定有效的温度管理策略，首先必须识别并分析温度变化与电池性能之间的因果关系或相关性。
力的问题，跟温度也是相关的。我们首先应关注基总力，随后分析分布力，并进一步观察力的表征。以电池衰减过程为例，电池在衰减后会出现鼓胀现象，此时应力显著增加，尤其是在硅碳负极材料中，其膨胀现象更为显著。这一过程涉及固体膨胀和气体膨胀两个方面，气体膨胀会导致电池性能衰减。在热失控发生前，内应力会显著上升。随着电池体积的增大，即便内部出现故障，热量传递至外部的过程也会相对缓慢。然而，应力的变化会更早地显现出来。因此，在实验中我们观察到，力信号相较于温度信号能更早地揭示热失控现象，而应力的响应速度又快于温度，电压信号的响应则最为迟缓。可以设想，将电池视为多个微电池并联的系统，从数据分析的角度来看，这种并联结构相当于取一个均值，即执行了低通滤波处理，因此其响应速度自然较慢。
三、光纤传感器及其应用
今天我们来重点探讨一下采用光纤技术完成的研究工作。在多点温度监测的场景中，传统方法依赖于软板上的温度传感器点，这些点的位置相对固定，但布线较为繁琐。尤其当监测点数量较多时，每个NTC需要两根导线，导致线束数量庞大。鉴于此，我们提出了利用光纤技术进行温度监测的方案。我们采用的是FBG（光纤布拉格光栅）技术，通过产生窄带光，其波长会因温度和应变等物理量的变化而发生相应改变。光栅在这一过程中起到了调制作用，通过解调调制信号，可以推算出光栅长度的变化。由于光栅长度的变化受到温度或应力变化的影响，因此，这一原理构成了温度和应力监测的基础。
为了制备FBG，本研究采用了飞秒激光刻写技术（fsFBG），该技术能够在FBG内部进行刻写，从而实现一根光纤上数百个测量点的高密度集成。目前，该技术制备的FBG在温度和力学性能方面表现优异，温度性能可达900℃，由于光栅本身由玻璃材料构成，其耐温性能优越，足以应对热失控的测量需求。在力学性能方面，其测量范围可达30000με。采用飞秒激光刻写技术，可实现FBG的全自动化生产。
在FBG的解调方面，传统解调设备体积较大，仅适用于设备安装，无法满足车载等移动应用的需求。因此，我们致力于将解调设备的小型化，目前已实现与U盘体积相仿的解调仪，并通过大量元器件的国产化替代，包括使用线阵CMOS替代进口滤波器，实现了整个组件的完全国产化。此外，光纤外部需额外包裹一层材料，这部分我们重点关注PEEK封装技术。该技术在汽车应用中能够提供更高的强度。完成上述步骤后，我们可构建一个传感器的基本框架。首先，进行温度测量，通过探测温度场并结合所测数据点，实现温度场的重构。其次，进行应变测量。随后，将温度和应变的测量结果整合。进一步地，我们期望实现对气体的测量功能。具体而言，通过在光栅上涂覆特定敏感材料，使其对氢气或一氧化碳具有反应性，从而实现气体的检测。尽管在原理上我们已经验证了该方法的可行性，但实际的气体检测产品尚在研发中。此外，为了处理收集到的数据，我们还开发了相应的机器学习算法作为支持。
关于光栅技术在电池系统中的应用，当前研究面临一项挑战，即如何将光栅检测技术集成至电池内部。仅在电池表面进行检测，就如同仅依赖中医的望闻问切方法来诊断病情，难以提供全面的诊断信息。还需要借助B超、CT扫描或实验室化验等更为精确的检测手段，以获得对自身健康状况的深入了解。同理，电池技术的发展亦将逐步趋向于物理系统与信息系统的融合。在这一进程中，必须解决的关键问题包括：光栅技术的无损集成可行性、潜在的安全风险评估以及信号传输的有效性。
为验证无损植入技术的有效性，我们采用夹极片技术，将测试元件嵌入电池内部，并进行封装。通过一系列实验，我们做了叠片的重组、封装以及电化学性能测试，结果表明该技术几乎实现了无损植入。寿命循环测试、BIS以及阻抗测试均达到了预期目标。实验数据显示，植入后电池老化过程中，内部温度上升速率加快，与预期相符。在外部温度分布测试中，观察到刀片电池存在温度分布不均的现象，这也为电池制造企业提供了潜在的改进方向。
通过对“恒流充放电”模式下电池数据的深入分析，发现电池SOH呈现递减趋势，同时电池所承受的应力水平呈上升态势，且电池温度上升速率亦有所增加。换言之，除了通过电信号对SOH进行评估之外，我们还可以利用应力和温度变化的数据进行交叉验证，以确保评估结果的准确性。
四、电池神经系统构建
当前，电池管理系统主要采用双层架构，涵盖模块层级与包层级。在模块层级，主要任务是监测电压；而在包层级，则涉及算法的实施。未来，预计系统将会发生一些改变，特别是在单体级别和模块级别，温度、应力等参数的监测将被引入，模块层级的算法将得到显著强化，同时对存储容量的需求也将大幅增长。过去，电池管理的重点集中在系统层级，但未来，模块层级将成为关注焦点。
随着结构的演变，模块层级的计算能力和存储容量需求将显著提升，监测范围也将扩大。相对而言，在包层级，对SOC的估算将能够提升至整车预控层面，从而在包层级实现一定程度的简化。这一变革将带来积极效应，即电池模块将能够实现全生命周期的应用，并在进行梯次利用时携带相应的数据和算法。
对于未来的设想：模块层级将增加多种监测手段，功能层级将强化计算能力和算法优化；在整车预控层面，将整合SOC算法，从而实现对整包BMS硬件的简化。更多内容，欢迎访问CIBF电池展2026服务网
