基于永磁体的热传感技术，用于锂离子电池内部温度监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：Permanent Magnet-Based Thermal Sensing for Internal Temperature Monitoring in Lithium Batteries

锂离子电池内部温度通过钕铁硼永磁体无源监测，优化磁引导结构提升信号2.2倍，实验发现高倍率充放电下内外温差超10℃，验证传统表面测温不足，方法可靠且无需电池结构改动。

　　锂离子电池（LIBs）作为过去三十年中主导的储能技术，因其高能量密度、长循环寿命以及出色的充放电性能而被广泛采用。其应用范围从便携式电子设备、电动汽车到电网规模的储能系统，几乎涵盖了现代能源存储的各个方面。然而，随着电池能量密度的提升和容量的扩大，安全问题逐渐成为不容忽视的重要议题。这些安全问题主要源于热失控和有害反应产物的积累，而热失控通常由电池滥用或老化过程引发。因此，如何有效地监测电池内部温度，确保其安全运行，成为当前电池技术研究中的一个关键挑战。

电池的性能退化往往伴随着其内部材料和结构在反复充放电过程中发生的不可逆变化。温度在这一过程中起着至关重要的作用，不仅影响电池的老化进程，还与不当使用密切相关。研究表明，电池内部温度的升高会引发一系列放热反应，包括固态电解质界面（SEI）的分解、锂与电解质之间的相互作用、正极材料中氧气的释放以及结构的劣化。这些反应不仅影响电池的寿命，还可能在极端情况下导致热失控，从而危及整个系统的安全。

目前，电池管理系统（BMS）通常依赖于表面安装的传感器来进行温度监测，例如热敏电阻、电阻温度检测器（RTD）和红外摄像机。然而，在电池热失控过程中，内部温度与表面温度之间存在显著的温差。这种温度梯度会导致内部温度上升与表面温度上升之间出现明显的时间延迟，从而影响热失控的预警和预防。因此，直接监测电池内部温度变得尤为重要。

为了实现对电池内部温度的监测，近年来已经探索了多种方法。其中包括微型传感器和光纤传感器等。此外，一些研究还尝试通过集成定制设计的Wi-Fi电路来实现无线传输解决方案。尽管这些嵌入式温度传感技术在不断发展，但在实际应用中仍面临诸多限制。例如，薄膜传感器和光纤温度传感技术通常需要通过电线进行信号传输，这要求在电池外壳上开孔或预留接口，从而可能影响电池的结构完整性与安全性。无线传输技术虽然避免了物理连接的需求，但往往涉及复杂的制造和安装流程，成本较高，这在一定程度上阻碍了其在工业领域的广泛应用。因此，现有的嵌入式温度传感技术在工程应用方面仍然存在关键性的挑战，限制了其商业化进程。

理想中的嵌入式温度传感技术应当具备简单结构、兼容现有电池制造工艺、支持无线信号传输，并且在不破坏电池结构完整性的情况下实现温度监测。基于这一需求，本研究提出了一种创新的非侵入式方法，利用嵌入于圆柱形18650格式电池单元中的钕铁硼（NdFeB）永磁体作为无源温度传感器。该方法通过检测温度依赖的磁场变化，实现对外部测量的内部温度监测。该传感系统在不同配置下表现出一致的温度系数，并在整个电池工作温度范围内保持良好的线性特性。此外，为了克服电池钢壳对磁场的衰减，研究团队开发了优化的磁场引导结构，显著增强了信号强度，同时提高了测量的稳定性。

实验结果显示，在高倍率操作条件下，电池内部与表面之间存在显著的温差，其差异甚至超过10℃。这一结果表明，传统的表面温度测量方法在实际应用中存在局限性，无法准确反映电池内部的温度变化。因此，直接监测电池内部温度对于实现更精确的电池热管理具有重要意义。可靠性测试进一步确认了该传感系统在长期运行中的耐用性，并表明其对电池性能的影响极小。这种简单、低成本的方法实现了非侵入式的内部温度监测，无需复杂的改造，为更准确的电池热管理提供了可行的解决方案。

在这一方法中，永磁体的温度依赖性是其核心原理。永磁体具有高矫顽力、大的磁滞回路面积，并且能够在无外部电源的情况下维持稳定的磁场。这些特性使得永磁体成为一种理想的温度传感器材料。在正常工作温度范围内，永磁体的剩磁随着温度的升高而线性下降，这一现象可以通过外部的霍尔效应探头进行远程检测，即使在金属屏障的遮挡下也能实现。此外，通过优化永磁体的布置和外部磁场引导结构，可以进一步提高温度监测的灵敏度和准确性。

为了进一步验证这一方法的可行性，研究团队对永磁体的温度系数进行了系统性分析。初步测试显示，新的NdFeB磁体在首次加热循环中表现出显著的不可逆磁化损失。然而，在后续的热循环测试中，其行为趋于稳定和可重复。因此，所有后续实验均进行了热初始化处理，以消除不可预测的不可逆损失。在将老化后的磁体嵌入电池后，检测到的磁通密度从约50Gs下降至约19Gs，这一变化主要是由于磁体在高温环境下的剩磁降低所导致。通过对比不同配置下的温度系数，研究团队发现该传感系统在不同条件下均表现出良好的一致性，这为其在实际应用中的可靠性提供了保障。

此外，为了提高磁场信号的传输效率，研究团队还设计了优化的磁场引导结构。这些结构能够有效增强磁场信号，减少由于电池外壳遮挡而导致的信号衰减。通过实验验证，这种优化的磁场引导结构能够实现2.2倍的信号增强，同时提高测量的稳定性。这一改进使得该传感系统能够在不破坏电池结构的情况下，实现对内部温度的精确监测。与传统的表面温度监测方法相比，该方法不仅能够提供更准确的温度数据，还能够避免因温度梯度导致的预警延迟。

在动态测试中，研究团队模拟了多种充放电条件，以评估该传感系统在实际运行中的表现。测试结果表明，电池内部与表面之间存在显著的温度差异，特别是在高倍率操作条件下，这一差异甚至超过10℃。这一现象进一步凸显了传统表面温度测量方法的不足，表明其无法准确反映电池内部的温度变化。因此，采用基于永磁体的温度监测方法，能够更有效地实现电池内部温度的实时监控，从而提高电池的安全性和性能。

为了确保该方法的实用性，研究团队还进行了可靠性测试，以评估其在长期运行中的耐用性。测试结果表明，该传感系统能够在不同环境条件下保持稳定的性能，并且对电池的充放电过程几乎没有影响。这一结果表明，该方法不仅能够满足电池热管理的需求，还能够与现有的电池安全监测系统兼容。因此，该方法具有广泛的应用前景，特别是在需要高精度温度监测的电动汽车和储能系统中。

此外，研究团队还对嵌入永磁体的电池进行了详细分析，以评估其对电池性能的影响。分析结果表明，嵌入永磁体并未影响电池的原始容量和电化学特性，同时也没有破坏电池的结构完整性。这一发现进一步验证了该方法的可行性，并表明其能够作为一种非侵入式的温度监测手段，为电池的热管理提供更精确的数据支持。

综上所述，本研究提出了一种创新的非侵入式方法，利用嵌入于电池单元中的NdFeB永磁体作为无源温度传感器。该方法通过检测温度依赖的磁场变化，实现对外部测量的内部温度监测，能够在不同配置下保持一致的温度系数，并在整个电池工作温度范围内表现出良好的线性特性。通过优化磁场引导结构，该方法能够有效克服磁场衰减问题，提高信号强度和测量稳定性。动态测试和可靠性测试进一步验证了该方法在实际应用中的有效性，表明其能够提供更准确的电池内部温度数据，同时对电池性能影响极小。因此，该方法为实现更精确的电池热管理提供了一种可行的解决方案，具有重要的工程应用价值。