CN115876232A - 电池单体以及用于该电池单体的光纤 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电池单体，包括：壳体，具有开口，壳体内填充电解液；电芯组件，电芯组件浸在电解液中；端盖，壳体端盖盖合于开口；光纤入口，光纤入口设置在壳体或端盖上；光纤，光纤通过光纤入口插入壳体中，在光纤上设置有多段光纤传感器。本申请提供的电池单体，能够实时探测内部氢气浓度、气压、温度/应力变化。

Description

电池单体以及用于该电池单体的光纤

技术领域

本申请涉及电池领域，具体地，涉及一种内置光纤传感器的电池单体。

背景技术

电池在使用过程中，需要实时探测内部氢气浓度、气压、温度/应力变化，以对电芯的安全问题评估、实时状态监控及电芯寿命预测。

发明内容

鉴于上述问题，本申请提供一种电池单体，能够实时探测内部氢气浓度、气压、温度/应力变化。

第一方面，本申请提供了一种电池单体，电池单体包括：壳体、电芯组件、端盖、光纤入口和光纤。在壳体内填充有电解液。电芯组件浸在电解液中。壳体具有开口，端盖盖合于开口。光纤入口设置在壳体或端盖上。光纤通过光纤入口插入壳体中，在光纤上设置有多段光纤传感器。

本申请实施例的技术方案中，在电池单体的壳体内设置多段光纤传感器。现有技术一般仅仅设置一个光纤传感器，本申请设置有多段光纤传感器，不同的光纤传感器实现不同的测试内容，例如，能够实时探测内部氢气浓度、气压、温度和应力变化等等。由于实现了实时监测，能够在电池单体出现问题的情况下及时地报警。以及时更换出现问题的电池单体，提高了电池的寿命，节约了成本。

在一些实施例中，光纤设置有多种光纤传感器。

多段光纤传感器可以为同种光纤传感器有多段，以实现测量不同位置的同一参数。例如，可以是多段布拉格光栅用作温度传感器和应力传感器，能够测量不同位置处的温度和应力。

多段光纤传感器也可以为多段不同光纤传感器，以实现同一条光纤测量多种参数。例如，不同光纤传感器可以包括布拉格光栅和法布里珀罗谐振腔。而且，布拉格光栅还可以包括镀覆的金属的布拉格光栅，以用作氢气传感器；还可以包括不镀覆的金属的布拉格光栅，以用作温度和压力传感器。

在一些实施例中，光纤传感器包括布拉格光栅。通过设置布拉格光栅，能够方便地测试电池单体内部的温度和应力等的变化。

在一些实施例中，布拉格光栅设置在电解液的液面之上，且附接于端盖的靠近电芯组件的表面。通过布拉格光栅设置在电解液的液面之上，光纤传感器能够测试电解液的液面之上气体的浓度。

在一些实施例中，布拉格光栅表面镀覆有金属。当金属与气体发生反应时，光栅间距的变化反应出气体压力的变化。

在一些实施例中，布拉格光栅上镀覆的金属是钯，以用作氢气传感器。本申请实施例的电池单体中，通过镀覆金属钯，能够更好地测试氢气的浓度。

在一些实施例中，布拉格光栅为多段，且设置在电解液的液面之下。以用作温度传感器。通过在电解液的液面之下设置多段布拉格光栅，可以用作温度传感器和应力传感器，能够更好地测量温度和应力。

在一些实施例中，多段布拉格光栅设置在电芯组件卷绕所形成的内圈的间隙中。通入设置在电芯组件卷绕所形成的内圈的间隙中，可以实时监测电芯中心的多点温度和应力变化。

在一些实施例中，多段布拉格光栅附接于电芯组件的外表面。通过将光纤布置在电芯组件的外表面，可以实时监测电芯组件的外表面的温度和应力变化。

在一些实施例中，多段布拉格光栅均匀地间隔设置。通过在不同的位置均匀地间隔设置，能够测量出不同位置处的温度和应力变化。

在一些实施例中，光纤传感器包括法布里珀罗谐振腔。通过设置法布里珀罗谐振腔作为气压传感器，能够实时准确地监测电池单体内部的气压。

在一些实施例中，法布里珀罗谐振腔设置在电解液的液面之上，且附接于端盖的靠近电芯组件的表面。法布里珀罗谐振腔设置在电解液的液面之上，使得测量气压成为可能。将法布里珀罗谐振腔设置在端盖中，能够节省出空间，以适应电池整体的小型化的趋势。如此可以有效利用电芯组件端部在端盖与电芯组件之间的高度空间，在对电池能量密度要求日益提高的情况下，这样的设计是有利的。

在一些实施例中，法布里珀罗谐振腔设置在光纤的末端处。在光纤的末端设置法布里珀罗谐振腔，进而使得光纤回到硬壳电芯顶端。设置的法布里珀罗谐振腔作为气压传感器，可以实时测试电芯腔体内的气压。

在一些实施例中，镀覆金属的布拉格光栅设置为邻接端盖。本申请实施例的电池单体中，通过邻接端盖设置镀覆金属的布拉格光栅，能够使得镀覆金属的布拉格光栅远离壳体内的电解液。

在一些实施例中，光纤入口与光纤之间设置有密封件。密封件可以但不限于是密封法兰。密封件还可以是密封条和密封圈等。设置密封法兰，提高了电池单体的密封性，以及测量的准确性。

第二方面，本申请提供了一种电池。

第三方面，本申请提供了一种和用电装置。

第四方面，本申请提供了一种用于测量电池单体内部环境的设备，设备包括设置有多段光纤传感器的光纤。多段光纤传感器包括：布拉格光栅和法布里珀罗谐振腔，法布里珀罗谐振腔设置在光纤的末端处。通过设置有多段光纤传感器，不同的光纤传感器实现不同的测试内容，例如，布拉格光栅能够实时探测内部氢气浓度、温度和应力变化，而法布里珀罗谐振腔能够实时探测内部气压。

在一些实施例中，布拉格光栅包括：设置在电池单体内的电解液的液面之上的表面镀覆有金属钯的布拉格光栅；和设置在电池单体内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅。镀覆有金属钯的布拉格光栅用于测量电池单体内部的氢气浓度，而设置在电池单体内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅用于测量电池单体内部的温度、应力。

第五方面，本申请提供了一种测量电池单体内部环境的方法，包括：将光纤插入电池单体中的步骤。在光纤上设置有多段光纤传感器，多段光纤传感器包括：设置在光纤的末端处的法布里珀罗谐振腔、设置在电池单体内的电解液的液面之上的表面镀覆有金属钯的布拉格光栅、和设置在电池单体内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅，根据多段光纤传感器传输的信号测量电池单体内部的氢气浓度、温度、应力和压力。通过设置有多段光纤传感器，不同的光纤传感器实现不同的测试内容，例如，布拉格光栅能够实时探测内部氢气浓度、温度和应力变化，而法布里珀罗谐振腔能够实时探测内部气压。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

通过阅读对下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在全部附图中，用相同的附图标号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请一些实施例的安装有光纤传感器的电池单体的结构示意图；

图2为本申请一些实施例的安装有光纤传感器的电池单体的爆炸立体图；

图3为本申请一些实施例的光纤布置在电芯卷绕的中间的结构示意图；和

图4为本申请一些实施例的光纤布置在电芯外围的结构示意图；

具体实施方式中的附图标号如下：

光纤 1

电池单体 2

密封法兰 3

端盖 4

氢气传感器 5

气压传感器 6

温度/应变传感器 7

电芯组件 8

壳体 9

光纤入口 10

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本申请实施例的描述中，技术术语“第一”“第二”等仅用于区别不同对象，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量、特定顺序或主次关系。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在本申请实施例的描述中，术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

在本申请实施例的描述中，术语“多个”指的是两个以上(包括两个)，同理，“多组”指的是两组以上(包括两组)，“多片”指的是两片以上(包括两片)。

在本申请实施例的描述中，技术术语“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”“相连”“连接”“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

目前基于内置光纤传感器的智能的电芯组件方面的研究较少，主要是利用布拉格光栅作为应变传感器，找到SOC-电极应变函数，来通过光纤应变来实时估计SOC。或者，是利用光纤传感器采集内部电极的不可逆应变数据，后由智能芯片运算实现对电池SOH状态的在线实时估计。还有的是，将光纤传感器植入电池内部，实时对电池内部枝晶生长状况的实时原位检测，以及同时检测内部电量、温度和压力信息。在电池光纤原位检测系统及方法的研究中，光纤传感器植入电池内部，与电池内部的其中一个或两个电极紧贴，电池与充放电装置、外部用电负载或电化学工作站连接。实现对电池内部枝晶生长状况的实时原位检测，为由枝晶生长引起的电池安全隐患提供提早预警，为电池的开发提供有力的手段。

此外，还可同时检测电池内部的电量、温度和压力信息，具有抗电磁干扰、不带电、低传输损耗、多点复用的特点，可实现对电池组内多个电池的实时、远程、多参量、网络化原位监测。

可以通过布拉格光栅对电池内部枝晶生长状况法进行原位检测，同时获得温度和压力信息，对比常规电芯，由于相关传感信息的获取，对电芯的实时状态和安全的监控，有很大的提升。对氢气、内部气压的探测是电芯安全监控的一个重要手段，但是对于电池内部产生的氢气、内部气压，不能实时探测。若增加氢气和气压传感器，又会进一步增加内部传感器的总体积，可能会对电芯稳定性产生较大的影响。本申请实施例提供一种使用电池作为电源的用电装置，用电装置可以为但不限于手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、电动工具、电瓶车、电动汽车、轮船、航天器等等。其中，电动玩具可以包括固定式或移动式的电动玩具，例如，游戏机、电动汽车玩具、电动轮船玩具和电动飞机玩具等等，航天器可以包括飞机、火箭、航天飞机和宇宙飞船等等。

以下实施例为了方便说明，以本申请一实施例的一种安装有光纤传感器的电池单体2为例进行说明。

根据本申请的一些实施例，可选地，提供了一种电池单体2，电池单体2包括：壳体9、电芯组件8、端盖4、光纤入口10和光纤1。壳体9具有开口，在壳体9内填充有电解液。电芯组件9浸在电解液中。端盖4盖合于开口。光纤入口10设置在壳体9或端盖4上。光纤1通过光纤入口10插入壳体9中，在光纤1上设置有多段光纤传感器。

请参照图1，图1为本申请一些实施例的安装有光纤传感器的电池单体的结构示意图。每个电池单体2可以为二次电池或一次电池；还可以是锂硫电池、钠离子电池或镁离子电池，但不局限于此。电池单体2可呈圆柱体、扁平体、长方体或其它形状等。

光纤传感技术的核心是光纤–一条纤细的玻璃线，光波能够在其中心进行传播。光纤主要由三个部分组成：纤芯、包层和保护层。其中包层能够将纤芯发出的杂散光波反射回纤芯中，以保证光波在纤芯中具有最低的传输损耗。这个功能的实现原理是纤芯的光折射率比包层的折射率高，这样光波从纤芯传播到包层的时候会发生全内反射。最外面的保护层提供保护作用，避免外界环境或外力对光纤造成损坏。

测试不同参数的分段可以根据尺寸的要求给出一个范围。

如图所示，光纤入口内端布置基于布拉格光栅的氢气传感器，末端回到端盖，布置基于法布里珀罗的气压传感器，中间部分布置多点式的基于布拉格光栅的温度和应力传感器，中间部分的长度可以根据需求设定，长度可以为0～1m之间，光纤的尺寸直径为0～10mm范围内。

光纤直径为10um～10mm之间，材料为高纯度石英玻璃或者为全塑光纤，长度可以根据需要定制。光纤外面的保护层材料为丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙、聚酰亚胺等材质。

本申请实施例的技术方案中，在电池单体的壳体内设置多段光纤传感器，多段不同的光纤传感器实现不同的测试内容，例如，能够实时探测内部氢气浓度、气压、温度和应力变化等等。由于实现了实时监测，能够在电池单体出现问题的情况下及时地报警。

根据本申请的一些实施例，可选地，光纤设置有多种光纤传感器。

多段光纤传感器可以为同种光纤传感器有多段，以实现测量不同位置的同一参数。例如，可以是多段布拉格光栅用作温度传感器和应力传感器，能够测量不同位置处的温度和应力。

也可以为多段不同光纤传感器，以实现同一条光纤测量多种参数。例如，不同光纤传感器可以包括布拉格光栅和法布里珀罗谐振腔6。而且，布拉格光栅还可以包括镀覆的金属的布拉格光栅，如图2所示，用作氢气传感器5；还可以包括不镀覆的金属的布拉格光栅，如图2所示，用作温度和压力传感器7。

根据本申请的一些实施例，可选地，光纤传感器包括布拉格光栅。

FBG是指光纤布拉格光栅，其在光纤芯内形成的空间相位周期性光栅，其实质就是在光纤纤芯内形成窄带的滤波器和反射镜。

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)传感器是一种使用频率最高，范围最广的光纤传感器，这种传感器能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长。光纤布拉格光栅是通过全息干涉法或者相位掩膜法来将一小段光敏感的光纤暴露在一个光强周期分布的光波下面。这样光纤的光折射率就会根据其被照射的光波强度而永久改变。这种方法造成的光折射率的周期性变化就叫做光纤布拉格光栅。

当一束广谱的光束被传播到光纤布拉格光栅的时候，光折射率被改变以后的每一小段光纤就只会反射一种特定波长的光波，这个波长称为布拉格波长。这种特性就使光纤布拉格光栅只反射一种特定波长的光波，而其它波长的光波都会被传播。

倾斜布拉格光纤光栅，是近些年来光纤传感器的研究热点，用光学方法在光纤纤芯上刻写倾斜布拉格光纤光栅可以打破了模式耦合过程的圆柱对称性，促使光从纤芯耦合到不同的包层模。这种光纤光栅传感器的光谱是一个优良的窄带共振峰梳状谱，为监测各种微小的调制变化提供了一个高精度的测量工具。倾斜布拉格光纤光栅的包层模式中的截止模式具有较深的倏逝波光场强度和穿透深度，对环境折射率的变化具有非常高的灵敏度，因此可以利用截止模式实现对外界环境折射率和枝晶生长等进行测量，为电池内部电极表面枝晶的生长提供一种高精度测量手段。

通过设置布拉格光栅，能够方便地测试电池单体内部的温度和应力等的变化。

根据本申请的一些实施例，可选地，布拉格光栅设置在电解液的液面之上，且附接于端盖4的靠近电芯组件8的表面。

请参照图2，图2为本申请一些实施例的安装有光纤传感器的电池单体的爆炸立体图；图2为本申请一些实施例提供的电池单体2的分解结构示意图。电池单体2是指组成电池的最小单元。如图2，电池单体2包括有端盖4、壳体9、电芯组件8以及其他的功能性部件。

端盖4是指盖合于壳体9的开口处以将电池单体2的内部环境隔绝于外部环境的部件。不限地，端盖4的形状可以与壳体9的形状相适应以配合壳体9。可选地，端盖4可以由具有一定硬度和强度的材质(如铝合金)制成，这样，端盖4在受挤压碰撞时就不易发生形变，使电池单体2能够具备更高的结构强度，安全性能也可以有所提高。端盖4上可以设置有如电极端子等的功能性部件。电极端子可以用于与电芯组件8电连接，以用于输出或输入电池单体2的电能。在一些实施例中，端盖4上还可以设置有用于在电池单体2的内部压力或温度达到阈值时泄放内部压力的泄压机构。端盖4的材质也可以是多种的，比如，铜、铁、铝、不锈钢、铝合金、塑胶等，本申请实施例对此不作特殊限制。端盖4可以包括绝缘件，绝缘件设置于端盖的内侧，布拉格光栅或法布里珀罗谐振腔可以设置于绝缘件靠近电芯单体的表面。在一些实施例中，在端盖4的内侧还可以设置有绝缘件，绝缘件可以用于隔离壳体9内的电连接部件与端盖4，以降低短路的风险。示例性的，绝缘件可以是塑料、橡胶等。

壳体9是用于配合端盖4以形成电池单体2的内部环境的组件，其中，形成的内部环境可以用于容纳电芯组件8、电解液以及其他部件。壳体9和端盖4可以是独立的部件，可以于壳体9上设置开口，通过在开口处使端盖4盖合开口以形成电池单体2的内部环境。不限地，也可以使端盖4和壳体9一体化，具体地，端盖4和壳体9可以在其他部件入壳前先形成一个共同的连接面，当需要封装壳体9的内部时，再使端盖4盖合壳体9。壳体9可以是多种形状和多种尺寸的，例如长方体形、圆柱体形、六棱柱形等。具体地，壳体9的形状可以根据电芯组件8的具体形状和尺寸大小来确定。壳体9的材质可以是多种，比如，铜、铁、铝、不锈钢、铝合金、塑胶等，本申请实施例对此不作特殊限制。

通过将布拉格光栅5设置在电解液的液面之上，光纤传感器能够测试电解液的液面之上气体的浓度。

在一些实施例中，布拉格光栅5表面镀覆有金属。在一些实施例中，布拉格光栅上镀覆的金属是钯，以用作氢气传感器。本申请实施例的电池单体中，通过镀覆金属钯，能够更好地测试氢气的浓度。

光纤传感器的表面可以镀覆一层纳米涂层(金、银等纳米涂层)、二维材料、过渡金属氧化物、半导体薄膜或纳米结构材料，用于增强光纤传感器的比表面积和枝晶检测灵敏度。进一步地，光纤传感器的表面覆盖一层惰性的纳米薄膜，用于防止电解液或电极与光纤传感器之间发生反应；或光纤传感器表面镀覆一层纳米涂层后覆盖一层惰性的纳米薄膜，用于防止电解液或电极与纳米涂层之间发生反应；或光纤传感器表面镀覆一层纳米结构材料后覆盖一层惰性的纳米薄膜，用于防止电解液或电极与纳米结构材料之间发生反应。上述纳米薄膜，如聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯和金刚石等，可以保证光纤传感器和电池的长期稳定工作。

如图2所示，图中光纤1通过光纤密封法兰3进入电芯/电池单体2，在刚进入电芯的顶端，布置了一个基于布拉格光栅的氢气传感器5，该传感器是基于在布拉格光栅外层表面镀金属膜，如钯金属膜。在电芯内产生氢气时，不同浓度氢气在金属膜表面发生反应，导致布拉格光栅参数发生不同程度变化，从而来表征不同浓度的氢气响应。

当金属与气体发生反应时，光栅间距的变化反应出气体压力的变化。

在一些实施例中，布拉格光栅为多段，且设置在电解液的液面之下。以用作温度传感器。

在光纤1的中段，布置了一系列的布拉格光栅的温度应力传感器，在电池充放电过程中，内部温度和应力发生变化，该传感器可以第一时间将信息通过光信号传出来，达到实时原位监测的目的。光纤的位于电解液的液面之下的部分上间隔地设置有多段布拉格光栅，以用作温度传感器7。通过设置有多段布拉格光栅用作温度传感器，能够更好地测量温度。光纤的位于电解液的液面之下的部分上间隔地设置有多段布拉格光栅，以用作应力传感器7。通过设置有多段布拉格光栅用作应力传感器，能够更好地测量应力。

因为布拉格波长是光栅之间的间隔长度的函数，所以光纤布拉格光栅可以被生产为具有不同的布拉格波长，这样就能够使用不同的光纤布拉格光栅来反射特定波长的光波。

应变以及温度的改变会同时影响光纤布拉格光栅有效的光折射率以及光栅周期，造成的结果就是光栅反射光波波长的改变。光纤布拉格光栅反射波长随应变和温度的变化可以近似地用方程中的关系来表示。

正因为光纤布拉格光栅会同时受到应变和温度变化的影响，所以在计算反射波长变化的时候既要同时考虑这两种因素，又要分别对其进行分析。当进行温度测量的时候，光纤布拉格光栅必须保持在完全不受应变影响的条件下。可以使用为此专门进行封装的布拉格光栅温度传感器，这种传感器能保证封装内部光纤布拉格光栅的属性不会耦合于任何外部的弯曲、拉伸、挤压或扭曲应变。在这种情况下，玻璃的热膨胀系数通常在实用中是可以忽略的，所以，因温度变化而造成的反射波长的改变就可以主要由该光纤的温度光学灵敏系数来决定了。

在光纤电芯中，测量不同的参数需要在电芯内的不同位置设置光纤。通过在电解液的液面之下设置多段布拉格光栅，可以用作温度传感器和应力传感器，能够更好地测量温度。

根据电芯内部的温度和应力的测试需求，可以将光纤的中间段布置在不同位置，若想测试电芯中心点的温度和应力，则可将光纤通过电芯中心，如图3所示；若想测试其电芯表面的温度和应力，则可将光纤通过电芯表面，如图4所示；若想测试极片之间的温度和应力，则可将光纤通过对应的极片。

在一些实施例中，多段布拉格光栅设置在电芯组件8卷绕所形成的内圈的间隙中。如图3和图4所示，电芯组件8成回形的卷绕状，在图中显示出来的电芯组件8中间的空白处，即电芯组件8卷绕所形成的内圈的间隙，如图3所示，多段布拉格光栅设置在该间隙中。在一些实施例中，多段布拉格光栅附接于电芯组件8的外表面，如图4所示，多段布拉格光栅没有设置在该间隙中，而是设置在电芯组件8的外表面上。

电芯组件8是电池单体2中发生电化学反应的部件。壳体9内可以包含一个或更多个电芯组件8。电芯组件8主要由正极片和负极片卷绕或层叠放置形成，并且通常在正极片与负极片之间设有隔膜。正极片和负极片具有活性物质的部分构成电芯组件的主体部，正极片和负极片不具有活性物质的部分各自构成极耳。正极极耳和负极极耳可以共同位于主体部的一端或是分别位于主体部的两端。在电池的充放电过程中，正极活性物质和负极活性物质与电解液发生反应，极耳连接电极端子以形成电流回路。

壳体9内填充电解液。至少一个电芯组件8布置于壳体9内。至少一个封闭的液囊盛放有电解液。液囊布置于壳体9内，并至少与电芯组件8的侧壁对应设置。液囊上设有至少一个薄弱结构，当液囊内的压力达到阈值时，液囊内的电解液冲破薄弱结构流出液囊。

液囊为内部盛放有电解液的封闭囊体，在受到挤压时可发生形变。为适应于电池内部的使用环境以及便于密封，液囊应当使用具有耐腐蚀性和粘合性的不导电封装材料形成。例如可以使用包含外部保护层和内部密封层的功能复合膜或封装材料。其中外部保护层为耐腐蚀的绝缘材料，能够适用于电池内的电解质环境，并适应电池使用状态下的温度压力等环境。例如外部保护层可以为铝、铁氟龙、亚克力、聚丙烯等。内部密封层例如可以为方便通过热封工艺进行封装的热塑性聚酯膜或涂层，如聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚氨酯等。在一些实施例中，可以使用铝塑膜通过热封形成封闭的液囊。

电芯组件8的侧壁是指电芯组件8在与高度方向平行方向的外壁。至少与电芯组件8的侧壁对应设置是指布置在壳体9内并至少部分与电芯组件8的侧壁相贴靠。

图3为本申请一些实施例的光纤布置在电芯卷绕的中间的结构示意图。光纤1通入电芯后，在电芯内的布置，可以为如图3所示，通入电芯卷绕的中间，从而可以实时监测电芯中心的多点温度和应力变化。参照图3，光纤1布置在电芯组件8卷绕的中间。具体地，光纤1从光纤入口10插入壳体9内，并且放置在电芯组件8卷绕的中间位置。

通入设置在电芯组件卷绕所形成的内圈的间隙中，可以实时监测电芯中心的多点温度和应力变化。

图4为本申请一些实施例的光纤布置在电芯外围的结构示意图。光纤通入电芯后，在电芯内的布置，可以如图4所示，光纤布置在电芯卷绕的外表面，这样可以实时监测电芯的内部外表面的温度和应力变化。参照图4，光纤1布置在电芯组件8卷绕的外围。具体地，光纤1从光纤入口10插入壳体9内，并且放置在电芯组件8卷绕的外侧位置。

通过将光纤布置在电芯组件的外表面，可以实时监测电芯组件的外表面的温度和应力变化。

在一些实施例中，多段布拉格光栅均匀地间隔设置。

布拉格光栅是光栅的栅距均匀一致的一种光纤光栅，反射波长非常小，布拉格光栅的反射点之间的距离总是相等的。这种光栅包括了无数个可反射特定波长反射点。布拉格光栅可以通过掩膜板法、化学腐蚀法、飞秒法等方式生产。

通过精准匹配两个反射点距离，符合布拉格条件的光波信号被光栅反射，而其它波长信号基本不被反射。通过连接光纤光栅解调仪，可以测定独立反射波的光波波长。一旦布拉格光栅遭受应力或温度变化影响，光栅的栅距会发生变化，反射波的光波波长也会随之改变，并且反射不同的波长，这样布拉格波长变化就可以被测量了。布拉格光栅的波长变化量与应变量和温度变化量同时相关。

通过在不同的位置均匀地间隔设置，能够测量出不同位置处的温度和应力变化。

在一些实施例中，光纤传感器包括法布里珀罗谐振腔。

在光纤1的末端，回到电芯的顶部，可以在顶部设置一个腔体，将光纤末端的FP腔置于该腔内，来实时监测电池内部气压变化。

FP为光纤法珀传感器，利用入射光纤抛光端面与其它的反射面构成FP腔，腔长可以做到很大，可以从100um到1m，此处由于电池腔体尺寸的限制，腔长为100um～10mm。

F-P谐振腔，即法布里珀罗谐振腔(Fabry–Pérot cavity)，是光学谐振腔的一种，由两个平行平面反射镜组成，常应用于半导体激光器。

从基本原理来看，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。非固有型(混合型)光纤传感器仅仅将光纤作为光波在设备与传感元件之间的传输介质，而固有型光纤传感器则将光纤本身作为传感元件使用。

在光学中，法布里珀罗谐振腔干涉仪是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。法布里珀罗干涉仪也经常称作法布里珀罗谐振腔、F-P腔或法-珀腔，并且当两块玻璃板间用固定长度的空心间隔物来间隔固定时，它也被称作法布里珀罗标准具或直接简称为标准具，但这些术语在使用时并不严格区分。这一干涉仪的特性为，当入射光的频率满足其共振条件时，其透射频谱会出现很高的峰值，对应着很高的透射率。法布里珀罗干涉仪的共振特性和二项色性的滤镜所利用的共振特性是相同的。

通过设置法布里珀罗谐振腔作为气压传感器，能够实时准确地监测电池单体内部的气压。

在一些实施例中，法布里珀罗谐振腔6设置在电解液的液面之上，且附接于端盖的靠近电芯组件的表面。

法布里珀罗谐振腔6设置在电解液的液面之上，使得测量气压成为可能。将法布里珀罗谐振腔6设置在端盖4中，能够节省出空间，以适应电池整体的小型化的趋势。如此可以有效利用电芯组件8端部在端盖4与电芯组件8之间的高度空间，在对电池能量密度要求日益提高的情况下，这样的设计是有利的。

在一些实施例中，法布里珀罗谐振腔6设置在光纤的末端处。在光纤1的末端设置法布里珀罗谐振腔6，进而使得光纤1回到硬壳电芯顶端。

氢气传感器和气压传感器由于需要在无液体的环境下，则需布置在电芯端盖附件，由于气压传感器的法布里珀罗腔需要在光纤的末端布置，故其设计为，在端盖上打孔或者通过光纤密封法兰引入光纤，在刚引入的电芯端盖内部的光纤上设置基于布拉格光栅的氢气传感器，而在光纤的末端，如示意图，返回顶部位置设置基于法布里珀罗的气压传感器。

设置的法布里珀罗谐振腔作为气压传感器，可以实时测试电芯腔体内的气压。

在一些实施例中，镀覆金属的布拉格光栅设置为邻接端盖。本申请实施例的电池单体中，通过邻接端盖设置镀覆金属的布拉格光栅5，能够使得镀覆金属的布拉格光栅远离壳体内的电解液。在一些实施例中，法布里珀罗谐振腔6设置在端盖4的底面上。如此可以有效利用电芯组件端部在端盖与电芯组件之间的高度空间，在对电池能量密度要求日益提高的情况下，这样的设计是有利的。

在一些实施例中，光纤入口10与光纤1之间设置有密封件。密封件可以但不限于是密封法兰3。密封件还可以是密封条和密封圈等。

如图1所示，电池单体2在端盖4上设置有密封法兰3，光纤1通过密封法兰3进入电池单体2。密封法兰3的位置可以设置在防爆阀的左边或者右边，光纤1通过密封法兰3，从而实现电池单体2的密封。也可通过在光纤1上镀金属镀层或者涂敷聚合物胶与端盖4实现固定和密封。

光纤入口10的位置在注液孔的另一侧，如图1所示，其距注液孔和防爆阀有一定距离，不会与防爆阀和注液孔互相干涉。打孔位置部分可以根据需求，也可以做一定的调整，主要是在端盖上。

光纤入口10的位置，主要是在端盖4上，但根据需求也可以进行相应的调整。

光纤入口10的密封，可以是用聚合物密封胶密封，也可以是基于光纤密封法兰来密封。

设置密封法兰3，提高了电池单体2的密封性，以及测量的准确性。

本申请提供了一种用于测量电池单体内部环境的设备，设备包括设置有多段光纤传感器的光纤1。多段光纤传感器包括：布拉格光栅和法布里珀罗谐振腔6，法布里珀罗谐振腔6设置在光纤1的末端处。

通过设置有多段光纤传感器，不同的光纤传感器实现不同的测试内容，例如，布拉格光栅能够实时探测内部氢气浓度、温度和应力变化，而法布里珀罗谐振腔能够实时探测内部气压。

在一些实施例中，布拉格光栅包括：设置在电池单体2内的电解液的液面之上的表面镀覆有金属钯的布拉格光栅5；和设置在电池单体内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅7。镀覆有金属钯的布拉格光栅5用于测量电池单体2内部的氢气浓度，而设置在电池单体2内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅7用于测量电池单体内部的温度、应力。

在一些实施例中，一种测量电池单体内部环境的方法，包括：将光纤1插入电池单体2中的步骤。在光纤1上设置有多段光纤传感器，多段光纤传感器包括：设置在光纤1的末端处的法布里珀罗谐振腔6、设置在电池单体2内的电解液的液面之上的表面镀覆有金属钯的布拉格光栅5、和设置在电池单体内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅7，根据多段光纤传感器传输的信号测量电池单体2内部的氢气浓度、温度、应力和压力。

通过设置有多段光纤传感器，不同的光纤传感器实现不同的测试内容，例如，布拉格光栅能够实时探测内部氢气浓度、温度和应力变化，而法布里珀罗谐振腔6能够实时探测内部气压。

根据本申请的一些实施例，本提案所要解决的技术问题应与最接近的现有技术中存在的技术问题相关。

本发明所要解决的技术问题是，在电池内部单根光纤上实现同时探测氢气、温度/应力、气压等参数，使得电芯变得更加智能，实现对电芯全方位状态的实时监控，本发明提供了一种基于光纤植入传感器的电芯及制作方法。

在电池内部同一根光纤上依次实现探测氢气、温度/应力、气压的功能。利用在布拉格光栅(FBG)上镀金属来探测氢气浓度、利用串接的多点FBG探测多点温度/应力、最后在光纤的末端利用法布里珀罗谐振腔(FP腔)来探测电芯内部气压。分别将布拉格光栅(FBG)上镀金属来探测氢气浓度和光纤的末端利用法布里珀罗谐振腔(FP腔)来探测电芯内部气压的位置设置在电芯端盖上。

于现有技术相比，本提案所能达到的效果，能同时对电芯内部的氢气浓度、多点式温度/应力、电芯内部的气压进行监测，能更全面的反应电芯内部的状况，而且通过该结构设计，其未进一步增加传感器的相应体积，不会增加对电芯稳定性的影响。

单根光纤植入，不会增加对电芯稳定性的影响，能同时监测电池的多个传感信号(内部氢气浓度、多点温度/应力以及气压)，实现对电芯全方位状态的实时监控。

该种结构设计，分别将氢气传感器和气压传感器设计在电芯端盖内侧，这样保证了测试的稳定性，减小了电芯电解液对两个传感器污染的可能。

在硬壳电芯的内顶部位置，在通入的光纤上集成了基于FBG镀钯金属(也可为其他金属)的氢气传感器，光纤在电芯内的路径可以根据需求来设计，在路径上集成了基于FBG的温度/应力传感器，可以对路径上的温度/应力变化进行实时监控，在光纤的末端回到硬壳电芯顶端，设置了FP腔的气压传感器，可以实时测试电芯腔体内的气压。

以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (21)

1.一种电池单体，其特征在于，包括：

壳体，具有开口，所述壳体内填充电解液；

电芯组件，所述电芯组件浸在所述电解液中；

端盖，盖合于所述开口；

光纤入口，所述光纤入口设置在所述壳体或所述端盖上；

光纤，所述光纤通过所述光纤入口插入所述壳体中，在所述光纤上设置有多段光纤传感器。

2.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，所述光纤设置有多种光纤传感器。

3.根据权利要求1或2所述的电池单体，其特征在于，所述光纤传感器包括布拉格光栅。

4.根据权利要求3所述的电池单体，其特征在于，

所述布拉格光栅设置在所述电解液的液面之上，且附接于所述端盖的靠近所述电芯组件的表面。

5.根据权利要求4所述的电池单体，其特征在于，

所述布拉格光栅表面镀覆有金属。

6.根据权利要求5所述的电池单体，其特征在于，

所述金属是钯。

7.根据权利要求3所述的电池单体，其特征在于，

所述布拉格光栅为多段，且设置在所述电解液的液面之下。

8.根据权利要求7所述的电池单体，其特征在于，

所述多段布拉格光栅设置在所述电芯组件卷绕所形成的内圈的间隙中。

9.根据权利要求7所述的电池单体，其特征在于，

所述多段布拉格光栅附接于所述电芯组件的外表面。

10.根据权利要求8或9所述的电池单体，其特征在于，

所述多段布拉格光栅均匀地间隔设置。

11.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，

所述光纤传感器包括法布里珀罗谐振腔。

12.根据权利要求11所述的电池单体，其特征在于，所述法布里珀罗谐振腔设置在所述电解液的液面之上，且附接于所述端盖的靠近所述电芯组件的表面。

13.根据权利要求11所述的电池单体，其特征在于，

所述法布里珀罗谐振腔设置在所述光纤的末端处。

14.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，

所述光纤入口设置在端盖上。

15.根据权利要求1所述的电池单体，其特征在于，

在所述光纤入口与光纤之间设置有密封件。

16.一种电池，其特征在于，包括：如权利要求1至14中任一项所述的电池单体。

17.一种用电装置，其特征在于，所述用电装置包括如权利要求15所述的电池，所述电池用于提供电能。

18.一种用于测量电池单体内部环境的设备，所述设备包括设置有多段光纤传感器的光纤。

19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，

所述多段光纤传感器包括：布拉格光栅和法布里珀罗谐振腔，所述法布里珀罗谐振腔设置在所述光纤的末端处。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，

所述布拉格光栅包括：

设置在所述电池单体内的电解液的液面之上的表面镀覆有金属钯的布拉格光栅；和

设置在所述电池单体内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅。

21.一种测量电池单体内部环境的方法，所述方法包括将光纤插入所述电池单体中，其特征在于，在所述光纤上设置有多段光纤传感器，所述多段光纤传感器包括：

设置在所述光纤的末端处的法布里珀罗谐振腔；

设置在所述电池单体内的电解液的液面之上的表面镀覆有金属钯的布拉格光栅；和

设置在所述电池单体内的电解液的液面之下的多段布拉格光栅，

根据多段光纤传感器传输的信号测量电池单体内部的氢气浓度、温度、应力和压力。

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