基于NTC溫度傳感器的鋰電池內部溫度監測技術研究

李紫軒，榮浚合，王新改，丁 飛

(1.河北工業大學電氣工程學院，天津 300130；2.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室，天津 300401；3.河北工業大學河北省電磁場與電氣可靠性重點實驗室，天津 300401)

近年來，鋰離子電池憑借其高電壓、高能量密度以及長壽命等優點得到了廣泛的應用，如電動汽車、航天航空、便攜式設備等領域。然而，鋰電池在使用過程中存在一定的安全隱患，在機械濫用、電濫用、極端高溫等情況下可能發生熱失控，威脅人們生命財產安全。為了保證電池安全穩定運行，電池溫度監測技術已經成為電池管理系統(BMS)中的關鍵技術之一。

在電池工作過程中，溫度在內部呈梯度變化，即電池內部溫度與電池表面溫度存在一定的溫差。因此，電池溫度監測分為電池內部溫度監測和電池表面溫度監測。內部溫度監測主要為熱敏電阻[1]、熱電偶[2]、光纖傳感器[3]和仿真模型預測[4]等，電池外部溫度監測主要為紅外熱成像[5]、X 射線掃描[6]、仿真模型預測[4]等。在發生熱失控前，電池表面溫度監測很難精準檢測到電池內部某處發生的熱積累，無法實現對熱失控事件的提前預警[7]，而電池內部溫度監測可以實時高精度檢測到電池內部異常溫升狀況，對電池的安全具有重大意義。另外，電池內部溫度檢測也為電池管理算法提供了新的思路，如電池內部溫度與開路電壓法結合實現快速荷電狀態(SOC)估計[8]。

目前，內部溫度測定方法包括三種類型，即接觸測量、溫度估測和無損檢測技術。其中，后兩種方法通過算法實現對電池內部溫度的預估，無需將傳感器植入電池[7]。溫度估算處理方法一般通過可測量的信號，如電流、電壓、環境條件等，來估算電池內部電芯溫度，常用的溫度估測方法是基于電池表面溫度數據進行仿真模型預測實現的。Chalise 等[9]通過Pt-100 溫度傳感器附著在電池表面測量溫度的實驗驗證了基于循環過程中管理能量方程的遞歸解決方案，該理論計算速度比有限元模擬快16 倍，并且發現與超過50 個18650 電池高速循環的實驗數據非常吻合。但Pt-100 溫度傳感器的探頭為針狀，植入電池內部會破壞電極結構，僅限于測量電池表面溫度為模型提供對比數據，對于電池內部溫度估計的準確度仍有待提高。無損檢測技術主要通過紅外熱成像等遠程傳感測量實現。Du 等[10]將電池頂部替換成紅外光玻璃，用常規紅外測溫手段可以測得電池截面溫度分布情況，研究了不同放電倍率對溫度的影響，得到電池溫度存在梯度和不均勻的結論。該方法可以直觀地觀察到溫度變化情況，但其成本較高，且僅限于電池截面溫度測量，仍無法準確測得電池內部溫度。溫度估測以及無損檢測技術能夠實現對內部溫度的估算，但受電池復雜環境影響，對于內部實際溫度的高精度測量，溫度估測和無損檢測技術都會出現不同程度的檢測誤差和算法誤差，而接觸測量可以更加直接和準確地進行電池內部溫度測定。Raghavan 等[11-12]構建了附著在電極上的嵌入式光纖(FO)傳感器，使用FO 傳感器測量電池內部應變和溫度信號，并用于電池估計算法中，但該傳感器只能得到溫度-應變聯合信號，僅用于估算電池電荷狀態和電池健康狀態，溫度信號需要辨識，且其單個成本高達幾百美元。

本文報道了一種新的負溫度系數(NTC)薄膜溫度傳感器的測量溫度方案，包括鋰離子電池電芯內部植入薄膜溫度傳感器以及電池不同狀態下內外部溫度監測，并通過分析溫度變化規律，對電池不同工作狀態的熱特性進行總結。相比于接觸式測溫中的光纖傳感器，NTC 薄膜溫度傳感器的成本較低，測溫方法簡單，不需要辨識聯合信號；相比于Pt-100 溫度傳感器，NTC 薄膜溫度傳感器的片狀結構不會破壞電池極片，更容易封裝在內部，能更加準確地監測到電池在充放電過程中的內部溫度變化。

1 實驗

1.1 傳感器及校準、傳輸方案

NTC溫度傳感器的電阻隨溫度上升顯著減小，是具有負溫度系數特點的熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳、鐵、銅和鋁等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。Pt-100 溫度傳感器以鉑(Pt)為材料制造而成，是具有正溫度系數特點的熱敏電阻器，即溫度升高時電阻值上升。當單位溫度變化時，Pt-100 溫度傳感器的電阻值變化幅度相對NTC 溫度傳感器較小，NTC 材料對溫度變化更加敏感，可以實現溫度的精準測量。光纖傳感器的原理是基于光纖材料的熱敏特性和光學原理的相互作用，首先將光經光纖送入調制器，再通過調制器測量被調制光的特征參量，如波長、振幅等，來間接測量溫度。與光纖傳感器相比，NTC 溫度傳感器測溫方式更加直接，響應速度更快，成本也更低。NTC 溫度傳感器靈敏度高，熱感應快，可靠性高，阻值精度高，并且其芯片封裝在聚酰亞胺(PI)基底內部，由于PI 材料對溫度傳感器的保護，NTC 溫度傳感器在電池內部惡劣的電化學環境中不受破壞，可正常維持功能。

在實驗前，需要對NTC 溫度傳感器進行校準，具體為測量電阻值隨溫度變化情況。在校準過程中使用的熱源為恒溫恒濕試驗箱。將NTC 溫度傳感器放入恒溫恒濕試驗箱，20～80 ℃調整溫度，使用高精度電阻儀測量不同溫度點對應的電阻值，每次調整溫度后定時，溫度穩定時開始測量。實驗結束后得到溫度-電阻校準曲線，該曲線與NTC 溫度傳感器數據手冊中的標準溫度-電阻關系進行對比來檢查傳感器能否正常工作，確認傳感器能正常工作后，將實驗測得的溫度-電阻校準曲線擬合成數據關系，用于檢測電池內部溫度，結果如圖1(a)所示。

圖1 NTC傳感器校正曲線(a)與實物圖(b)

將NTC 溫度傳感器的引腳用導線連接到信號轉換模塊上，然后信號轉換模塊與STM32 單片機對應引腳相連，單片機負責數據處理，并將處理后的溫度數據傳輸給計算機。

1.2 傳感器植入電池方案

電池采用LiCoO2//C 軟包電池。電解液采用1.0 mol/L 的LiPF6/[碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DEC)](體積比1∶1)。實驗全程在充滿Ar 氣的手套箱中操作，首先對電芯進行處理，選擇電芯中間位置的負極作為NTC 薄膜溫度傳感器放置位置，使用棉簽蘸取少量N-甲基吡咯烷酮(NMP)輕輕刮去該位置上的活性物質，露出集流體，將NTC 溫度傳感器粘貼到該位置上，重新卷繞電芯，固定好帶有傳感器的電芯。將極耳位置和傳感器引線處固定一定的極耳膠，用來保證封裝的密閉性。使用鋁塑膜對電芯重新封裝、注液，使用真空封口機完成電池封裝。將封裝好的電池放在40 ℃下進行浸潤。組裝好的電池如圖1(b)所示，使用新威高性能檢測系統(CT-4008T-5V6A-S1)對其進行實驗。

1.3 實驗測試

1.3.1 電池內外溫度測量

將植入溫度傳感器的電池表面粘貼相同的NTC溫度傳感器，進行內外溫度對比實驗。電池放置在室溫環境中固定，1C恒流充電至4.2 V，充電完成后1C恒流放電到2.7 V 結束放電，測試期間同時采集電池表面溫度和內部溫度。將上述步驟一共重復3次。

1.3.2 不同擱置時間溫度測量

實驗在室溫下分三個階段進行。

第一階段：1C恒流充電至4.2 V，充電結束后擱置15 min 后，1C恒流放電到2.7 V 結束放電，擱置15 min。測試期間同時采集內部溫度，將上述步驟一共重復3 次。

第二階段：1C恒流充電至4.2 V，充電結束后擱置30 min 后，1C恒流放電到2.7 V 結束放電，擱置30 min。測試期間同時采集內部溫度，將上述步驟一共重復3 次。

第三階段：1C恒流充電至4.2 V，充電結束后擱置60 min 后，1C恒流放電到2.7 V 結束放電，擱置60 min。測試期間同時采集內部溫度，將上述步驟一共重復3 次。

1.3.3 相同擱置時間溫度測量

實驗在恒溫下進行，設置恒溫箱環境溫度為23 ℃，將電池放置于恒溫箱中，0.5C恒流充電至4.2 V，擱置15 min 后，充電完成，0.5C恒流放電到2.7 V結束放電，擱置15 min。測試期間同時采集電池內部溫度，將上述步驟一共重復4 次。

1.3.4 不同放置位置溫度測量

采用1.2 節中傳感器植入方案，在兩個電池不同位置放置傳感器，一個電池的傳感器位于遠離電池極耳的尾部，另一個電池的傳感器位于靠近電池極耳的頭部。實驗在恒溫下進行，設置恒溫箱環境溫度為45 ℃，將電池放置于恒溫箱中，對兩個電池1C恒流充電至4.2 V，充電結束后，1C恒流放電到2.7 V結束放電。測試期間分別同時采集兩個電池的內部溫度，將上述步驟一共重復5 次。

1.3.5 不同倍率下溫度測量

實驗在恒溫下進行，設置恒溫箱環境溫度為30 ℃，將電池放置于恒溫箱中，對電池分別進行1C、1.5C、2C恒流充放電測試，恒流充電至4.2 V，充電結束后，恒流放電到2.7 V 結束放電，測試期間同時采集內部溫度。

1.3.6 傳感器植入對電池性能的影響

將普通無傳感鋰電池與植入傳感器的鋰電池進行對比研究，電池額定容量為1 000 mAh，實驗在室溫下進行，兩個電池分別進行恒流充放電循環測試。1C恒流充電至4.2 V，充電結束后，1C恒流放電到2.7 V 結束放電，將上述步驟進行循環，循環周期為100 次。將循環后的兩個電池分別進行電化學阻抗譜測試(EIS)，頻率范圍0.1 Hz～100 kHz。

1.3.7 深度學習預測內部溫度與傳感器實測對比

采用1.2 節中傳感器植入方案，重新制備植入溫度傳感器的鋰電池，將該電池表面粘貼相同的NTC溫度傳感器。實驗在恒溫下進行，設置恒溫箱環境溫度為40 ℃，將電池放置于恒溫箱中，1C恒流充電至4.2 V，擱置10 min，充電完成后，1C恒流放電到2.7 V 結束放電，擱置10 min。測試期間同時采集電池內部溫度和表面溫度，將上述步驟一共重復2 次。

建立長短期記憶網絡(LSTM)深度學習模型，模型框架圖如圖2 所示。

圖2 LSTM模型框架圖

在完成深度學習模型構建后，會使用之前訓練模型的數據對模型進行初步測試，稱為訓練集，訓練集測試完成后，會用另外一組在構建模型時模型沒有接觸過的數據進行測試，稱為測試集。以1.3.1 節的實驗結果作為訓練集，對模型進行訓練。輸入值為電壓和表面溫度，輸出為內部溫度。訓練集測試完成后，用另外一組在構建模型時模型沒有接觸過的數據進行測試，稱為測試集。

將本次實驗結果作為測試集，電壓和電池表面溫度采集值輸入訓練好的LSTM 模型中，模型輸出預測的電池內部溫度。將內部溫度的模型預測值與實際測量值進行對比。

選取平均絕對百分比誤差(MAPE)、均方根誤差(RMSE)和相關系數(R2)對模型預測結果進行評價。MAPE表征模型的估計精度，RMSE表示預測誤差，R2表示預測值和實際值的相關程度。以上評價指標的表達式如下：

2 結果與討論

2.1 常溫下鋰電池內外溫度變化規律

電池內部和電池外部的NTC 溫度傳感器分別測量電池內外的溫度變化，結果如圖3 所示。在一個電池充放電周期中，電池溫度持續升高，放電結束后溫度達最大值；在下一周期充電初期，電池溫度迅速下降。電池內外溫度變化趨勢相同，電池內部溫度最大值與最小值之差為5 ℃，電池表面溫度最大值與最小值之差為7.8 ℃。電池內部溫度和電池外部溫度在放電階段持續升高是由于電池內部反應放熱、歐姆熱和極化熱共同作用造成的；在放電結束后熱累積到最大值，充電初期由于充電反應是吸熱反應，溫度急劇下降至初始值左右。當充電反應吸收的熱量小于歐姆熱和極化熱時，溫度開始上升。

圖3 內外傳感器溫度-電壓關系圖

對比電池內外傳感器，電池內部溫度始終高于外部溫度，最高內外溫度之差為0.8 ℃，最低內外溫度之差為0.4 ℃。電池內部與電池表面始終存在一定的溫差，這種溫差產生的原因是電池外殼為鋁材質，散熱效果較好，電池在工作過程中內部的電化學反應產生熱量會迅速傳遞到電池表面，電池外殼迅速散熱，因此電池內部溫度始終高于外部溫度，本研究采用的電池內部植入NTC 溫度傳感器的方法可以有效檢測到電池內部溫度。

2.2 鋰電池內溫度隨擱置時長的影響

不同擱置時長對電池內部溫度產生的影響如圖4(a)所示，電池溫度規律在一個充放電周期內可分為四個階段，分別是充電、充電后擱置、放電、放電結束后擱置。隨著擱置時間的增加，電池在充電后擱置階段和放電結束后擱置階段的平均降溫幅度增加，電池在不同階段下不同擱置時間內的降溫幅度如表1 所示。在擱置階段，電池充電反應或放電反應停止，反應吸熱過程或放熱過程隨之停止，該階段的反應熱為零；當電池不再充電或放電時，極耳和內部均無電流流過，因此該階段的歐姆熱和極化熱為零。擱置階段出現降溫是因為熱量沒有繼續產生，并且之前充電累積的熱量在逐漸耗散，所以溫度出現降落，擱置時間的增加使熱量的累積耗散量增加。

表1 電池在不同階段下不同擱置時間內的降溫幅度

圖4 不同擱置時間電壓-溫度數據圖(a)、相同擱置時間的0.5 C充放電循環測試圖(b)及其局部放大圖(c)

2.3 鋰電池恒溫下的內部溫度變化

電池充放電倍率、環境溫度和擱置時間均相同時，電池內部溫度變化規律如圖4(b)～(c)所示。圖4(c)為對圖4(b)中t=40 000 s 左右區間進行放大分析，可以看出前900 s 為放電結束后擱置時間，在此期間電池溫度呈下降趨勢，溫度降落為4.9 ℃；由于擱置期間電池受松弛效應影響，電壓出現短暫的回升；在后1 440 s 時間段內，為電池充電初期，電壓快速上升至3.8 V 左右，溫度繼續降低，總溫度降落為1.8 ℃。

通過對一個充電周期內的溫度數據變化趨勢進行分析，在電池充電初期，溫度短時間內出現一定幅度的降低后，開始升高，這是由于電池充電反應屬于吸熱過程，因而初期電池表現為溫度降低。隨著充電時間的增加，電池產生的歐姆熱和極化熱超過了充電反應的吸收的熱量，因此充電時溫度變化趨勢為先降低后升高；電池放電后溫度繼續升高，放電完成后溫度達到最高值。這是由于電池放電反應為放熱反應，再加上歐姆熱和極化熱，所以電池溫度呈升高趨勢。另外，從圖中不難發現，充電時的溫升速率和放電時的溫升速率不同，說明電池充電過程和放電過程中，由于反應的熵變不同，歐姆內阻和極化內阻存在微小差異，導致電池內部的產熱速率不同[13]。

2.4 鋰電池內不同位置溫度分析

傳感器不同放置位置測試結果如圖5(a)所示，遠離極耳端的溫度在各個階段均略低于靠近極耳端的溫度。結合圖3 可得出結論，鋰電池在充放電周期中，存在熱梯度，具體表現為內部的均溫要高于外部均溫，內部靠近極耳的均溫高于遠離極耳端的均溫。這是由于極耳處流過電流時，極耳本身的內阻引發歐姆熱，所以極耳會影響電池的熱分布。

圖5 恒定溫度下1 C充放電遠離或靠近電極溫度測試圖(a)、相同倍率下充放電循環測試圖(b)、傳感器對容量和庫侖效率的影響(c)以及EIS測試圖(d)

極耳輸出電流時產生的歐姆熱導致電池內部溫度分布不均勻，在研究電池內部溫度場時可以考慮在不同位置放置溫度傳感器。

2.5 不同倍率對鋰電池溫度變化影響

電池在不同倍率下的溫度變化規律實驗結果如圖5(b)所示，電池在1C、1.5C、2C下的最高溫度分別約為38、43、46 ℃，最低溫度分別約為30、33、38 ℃。電池在不同倍率下同一周期的溫度變化規律相同，即在充電初期一段時間內溫度下降，充電后期溫度上升，放電過程溫度持續上升；電池整體溫度隨著充放電倍率的增大而升高，主要是由于充放電倍率決定充放電電流，電流的增大使產生的歐姆熱增加，因此高倍率條件下溫度顯著升高。倍率的提高使電池內部極化加深，電池內部離子擴散速度小于電子傳導速度，具體為正負極的擴散極化和電化學反應極化阻抗增大，極化熱隨之增加。綜上，電池充放電倍率的提高導致歐姆熱和極化熱增加，二者共同作用使內部溫度上升。

電池在高倍率下充放電時，發生熱失控的風險較高，應將倍率控制在合理范圍內，同時保證電池的充電速度和安全性。通過本文介紹的溫度傳感器植入電池內部的方法可以提高溫度監測的準確性，從而使電池管理系統可以及時發現異常情況并采取散熱等措施，提高電池安全性。

2.6 傳感器對鋰電池的影響

植入傳感器對電池容量和庫侖效率的影響如圖5(c)所示，在100 次循環后，植入傳感器的電池容量為845.7 mAh，容量保持率為84.6%，無植入傳感器的電池容量保持率為84.8%，有傳感器電池和無傳感器電池的庫侖效率均達99%，因此傳感器的植入對鋰電池的容量衰減和庫侖效率影響極小。兩個電池的電化學阻抗譜分析(EIS)及擬合電路如圖5(d)所示。

由圖5(d)電化學阻抗譜擬合得到的鋰電池歐姆阻抗RS和電荷傳遞阻抗Rct如表2 所示，植入傳感器的電池的RS略高于無植入傳感器的電池，這是因為溫度傳感器的植入使集流體與正負極界面之間的阻抗變大?？紤]到電池單體存在不一致性，且RS變化幅度較小，約0.03 Ω，可以得出植入傳感器對電池的歐姆阻抗影響較小的結論。植入傳感器的電池的Rct略高于無植入傳感器的電池，是因為植入的溫度傳感器占用了部分電芯面積，該處的電化學反應較為困難，但Rct變化幅度較小，約0.02 Ω，是因為被傳感器占用的面積相對于電芯總面積極小，這說明傳感器的植入對電池內部傳質過程產生的影響較小。從圖5(d)和表1 可以得出植入傳感器對電池阻抗的影響較小的結論。

表2 鋰電池等效電路擬合阻抗譜參數 Ω

綜上，本文植入傳感器的方案對于電池性能的影響較小，且可精準監測電池充放電過程中的溫度變化，可直接反應電池不同階段溫度變化規律，為電池管理系統提供更為準確的數據。

2.7 深度學習預測內部溫度與傳感器實測對比分析

圖6 為深度學習預測內部溫度與溫度傳感器實測值對比圖，可以看出，訓練集與測試集的預測值均接近實際溫度。各項指標評價結果如表3 所示。

表3 基于訓練集和測試集結果的模型評價指標

圖6 訓練集與測試集中內部溫度預測值與實測值對比圖

本文所用在電池內部植入溫度傳感器的電池內部溫度監測方法驗證了基于LSTM 深度學習的內部溫度預測模型在模型訓練時提供了數據依據，有利于預測模型的準確建立。在模型應用過程中，實測值與預測值進行了對比，評估了模型預測結果的MAPE、RMSE、R2指標，驗證了模型的準確性。因此，除了實時溫度監測，本文介紹的傳感器植入電池內部的方法還可以作為數據支撐，應用于電池管理系統中的各類算法預測和估計中。

3 結論與展望

本文提出了一種基于NTC 溫度傳感器的電池內部溫度監測方案?；趦韧鉁囟葌鞲衅?，測量了鋰電池在不同工況、不同運行環境下內外溫度變化，對其變化規律與電池充放電過程進行分析，并對電池不同充放電過程產熱特性進行總結。同時在電池電性能測試方面，傳感器植入后的電池容量保持較好，庫侖效率高達99%，歐姆阻抗和電荷轉移阻抗變化較小，說明傳感器的植入對電池的容量、循環性能和阻抗性能幾乎無影響。本文的電池內部溫度監測方案比常用的電池表面溫度監測方案準確性更高，對于研究電池在不同工況下的溫度變化以及分析相應的電化學反應具有重要意義，另外，可以更好地為電池管理系統中算法預測中與溫度相關的其它性能指標提供原始數據，從而提高工作中電池的安全性。