Оптоволокно раньше штатной BMS выявило тепловой разгон

Подробно

Как оптоволоконные датчики измеряют температуру батареи электромобиля?

Датчики сделаны на основе волоконных брэгговских решёток - участков оптоволокна, записанных фемтосекундным лазером. Авторы разместили такие измерительные участки внутри батарейного блока. Число температурных точек выросло с 32 у штатной BMS до 540, то есть в 16,875 раза, и проводов при этом понадобилось ненамного больше.

Волокно помещали в трубку из политетрафторэтилена с внешним диаметром 0,9 мм и внутренним 0,4 мм, а участки решёток закрепляли эпоксидным клеем. Данные снимал миниатюрный оптический считыватель SensChain, установленный в батарейном блоке. В автомобильных записях частота измерений была неравномерной, обычно 0,5-1 Гц.

Работу «Multi-model collaborative early warning for battery systems with integrated fiber optic sensors» подписали Jiangong Zhu, Chao Yu, Xuezhe Wei и Haifeng Dai из Университета Тунцзи и его центра автомобильной инженерии чистой энергии, а также Yi Jiang, Wolfgang Schade и Martin Angelmahr из отдела оптических сенсорных систем Института Фраунгофера. Персональные должности авторов в статье не указаны. Рукопись поступила в журнал 4 февраля 2026 года и была принята 22 сентября. Сейчас доступна рецензированная версия Article in Press, которую издатель позже заменит окончательной редакцией.

Как алгоритм предупреждает о тепловом разгоне аккумулятора?

Алгоритм опирается на четыре независимых критерия:

• абсолютная температура (порог - 100 °C);
• скорость роста температуры (порог - 1 °C/с);
• выход энтропии Шеннона для распределения температур по блоку за динамическую границу;
• скорость изменения этой энтропии.

Предупреждение срабатывает, если выполнен хотя бы один критерий. Энтропия здесь описывает неравномерность распределения температур по блоку.

Авторы сравнили одинаковый алгоритм на редких температурных данных BMS и на 540 оптоволоконных точках. В ряде сценариев плотные измерения находили аномалию раньше. На данных одного из автомобилей, Vehicle 1, температурная часть алгоритма на редких данных не выдала предупреждения вообще, а на плотных сработала.

По расчётам авторов, алгоритму хватит около 2 МБ памяти SRAM при обновлении раз в секунду. Работу алгоритма в реальном времени на автомобильном процессоре ещё не проверяли - это авторы относят к будущим исследованиям.

На сколько раньше система предупреждает о перегреве батареи?

Испытания включали 23 отдельные ячейки, два лабораторных модуля и данные семи электромобилей. Каждый лабораторный модуль состоял из 96 цилиндрических ячеек Samsung INR18650-35E (катод NCM, графитовый анод, 3,35 А·ч и 3,6 В каждая), собранных по схеме 8P12S. Ёмкость модуля - около 27 А·ч, на нём было 128 температурных точек на восьми оптоволоконных датчиках.

Выигрыш во времени сильно зависел от сценария:

• локальный перегрев лабораторного модуля - 706 секунд;
• Vehicle 1, тепловой разгон во время зарядки - 554 секунды;
• перезаряд лабораторного модуля - 167 секунд;
• Vehicle 4, тепловой разгон после окончания зарядки - 25 секунд.

Важно, от чего отсчитывается опережение: от эталонного предупреждения BMS, которое авторы задали по скорости изменения напряжения параллельной группы ячеек 1 В/с. Это не время до возгорания и не гарантированный выигрыш при любой неисправности. При лабораторном перезаряде температурная часть алгоритма даже сработала на 104 секунды позже сигнала по напряжению, и раннее общее предупреждение дала энтропийная часть.

Как оптоволоконные датчики проверяли на реальных электромобилях?

Батарея каждого из семи автомобилей состояла из 270 ячеек в шести модулях 3P3S и двенадцати модулях 3P6S. Датчики крепили на боковые стенки модулей и у контактных выводов. Сроки наблюдения за отдельными машинами составили от 25 до 410 дней, суммарно 1284 автомобиле-дня. За это время ни одна температурная точка не вышла из строя.

Тепловой разгон произошёл у двух машин - Vehicle 1 и Vehicle 4. Модели автомобилей, их производитель и даты происшествий в доступном тексте статьи не названы. В батарейных системах без теплового разгона алгоритм ложных предупреждений не выдал, но выборка мала, и для массового автопарка частота ложных срабатываний не определена.

Авторы выложили экспериментальные данные в открытый репозиторий Zenodo и дали ссылку на код алгоритма в GitHub.

Сколько может стоить оптоволоконный мониторинг батареи?

В дополнительных материалах приведена оценка себестоимости оборудования на основе предложения поставщика Shanghai SensChain. При выпуске 10 000 автомобилей комплект обойдётся в 103,17 доллара США на машину: 64,80 доллара за 540 измерительных точек, 35,50 доллара за считыватель, 2,15 доллара за кабели и принадлежности и 0,72 доллара за крепёж.

В статье упоминается и сумма 36,82 доллара США на автомобиль. Это прогноз при выпуске 10 млн машин, построенный на допущениях авторов о снижении затрат. Это не рыночная цена и не достигнутая себестоимость.

Что пока не доказано и чем работа отличается от прежних?

По оценке исследовательской группы, распределённые измерения вместе с несколькими диагностическими критериями позволяют заранее выявлять риск теплового разгона. Это вывод авторов, а не доказанная эффективность серийной системы. Сами исследователи признают ограничения:

Число случаев отказа и разнообразие проверенных механизмов неисправности ограничены; влияние старения, иных химических составов и архитектур батарей ещё требует проверки.

Систематически не проверены внутреннее короткое замыкание, механические повреждения и другие сложные отказы, а также состарившиеся батареи. Независимых экспертных оценок работы на момент публикации найти не удалось.

Температуру батарей с помощью брэгговских решёток измеряют давно. В 2013 году в журнале Measurement вышло исследование с семью решётками на одном волокне. В 2018 году группа Micael Nascimento составила температурную карту блока из трёх литий-полимерных ячеек по 37 датчикам. В 2021 году Yifei Yu с соавторами показали, как горячая область смещается по поверхности ячейки во время работы. В 2023 году Wei Mei с коллегами в Nature Communications измерили через оптоволокно температуру и давление внутри коммерческих ячеек при тепловом разгоне. Новизна нынешней работы - плотный мониторинг всего батарейного блока и проверка на электромобилях, которые реально эксплуатировались.