采用螺旋--蛇形部署的分布式光纤传感器：实现袋式锂离子电池高精度全场温度重建与热管理

关键词：锂电池测温、分布式光纤传感 、OFDR 、温度传感 、光纤动态监测 、光频域反射技术

一.概述

锂离子电池在电动汽车与储能系统中的规模化应用，对热管理安全性提出严苛要求。本文基于光频域反射技术的分布式光纤传感器（DOFS），通过螺旋--蛇形布线实现电池全表面温度精准监测，结合局部自适应径向基函数插值与不确定性量化方法，解决传统传感技术离散测量、信息缺失的痛点，为电池热管理优化提供可靠支撑。

二、测试方案

传感器配置：采用PI涂层+PFA套管封装的温度型DOFS（T-DOFS），光纤直径165μm，套管外径1.15±0.05mm，最小弯曲半径15mm，通过瑞利散射频率偏移实现温度感知，灵敏度达0.66℃/GHz（R²=99.9%）；

部署方式：采用螺旋蛇形布局，沿电池宽度方向以S形连续布置，转弯处采用40mm直径标准半圆设计，通过3MDP-125高模量环氧胶点涂固定，辅以PI胶带二次加固，总光纤长度0.991m；

校准与验证：在电池表面关键位置部署3个±1℃精度的T型热电偶，通过制冷剂局部降温法完成21个特征点坐标校准，确保光纤测量点与物理位置精准映射。

采用螺旋蛇形分布式光纤传感器的NCM电池示意图

测试设备：OSI-DOFDR光纤动态监测系统。

测试工况：在25℃恒温环境下，采用CC-CV充放电协议，分别以0.5C、1C、1.5C倍率测试，充放电截止电压2.8~4.25V，每阶段测试后静置180min达热平衡。

集成动态分布式光纤传感与热管理信息的测试平台

三、测试结果

在实验测试中，依托螺旋蛇形布置的T-DOFS及OFDR技术，实现了对电池全表面的连续温度监测，其温度测量精度达±0.1℃，空间分辨率可达1.28毫米；同时，借助空间映射方法和插值算法，成功完成了电池表面温度分布的高保真精准重建，为电池热管理工作提供了全面且详实的温度信息支撑。

不同电流下各电池区段的表面温度变化

25℃环境温度与1℃倍率下重建温度与实际温度的对比

采用双U形布局在25°C环境温度下的温度重建结果与误差分析。每个子图组包含：左上角显示给定SOC状态下的电池重建表面温度；左下角展示重建标准偏差；右上角和右下角分别呈现置信区间（CI）的可视化上界和下界

四.实验结论

本研究依托OFDR技术搭建T-DOFS监测系统，通过创新的螺旋蛇形分布式光纤布局方案，成功突破了传统离散测量点的局限，实现了大容量软包电池表面的原位全范围温度采集，完成了从点级传感向全表面温度监测的跨越，该方案能为电池热管理优化提供全面且有价值的监测数据；结合OFDR监测数据所开发的自适应温度场重构方法，在不同条件下均展现出优异的表征性能，搭配不确定性量化手段进一步保障了数据可靠性，其温度重建结果的最大标准差可控制在0.3℃以内。

原文来自：

标题：《Utilized Distributed Optical Fiber Sensor withSpiral-Serpentine Deployment Enabling High-Precision Full-Field Temperature Reconstruction and Thermal Management for Pouch Lithium-Ion Battery》

作者：Yuhao Zhu, Xiaoqiang Zhang, Yunlong Shang,* Miao Yu, Xin Gu, Jinglun Li, and Linfei Hou

期刊：Adv. Sci. 2025, e11030 e11030

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