一种基于光纤散射的分布式电池监测系统的制作方法

1.本发明涉及电池监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤散射的分布式电池监测系统。


背景技术：

2.动力与储能电池广泛用于新能源汽车、风力/太阳能存储等国家战略新兴产业，是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑。近年来电池安全事故呈递增态势，电池材料精准原位测试表征与失效分析是全球性科学难题，因此开发非侵入式监测工具对动力与储能电池进行日常跟踪和全生命周期管理非常重要。当前，仅能通过大型分析仪器对电池内部微观反应过程进行测量，但这些设备不仅价格昂贵，而且使用条件十分苛刻，无法应用于电池使用的实际环境。因此，迫切需要发展适合于电池使用终端的原位测试技术。现有的电池监控管理技术不能达到对储能系统中每一个电芯单体(cell)进行准确检测、控制以及提前预警。大多数电池火灾事故都是由电池单体引发，导致整个电池包的起火甚至爆炸。
3.目前，电池管理系统(bms)仅通过电压、电流以及温度运算估计电池健康状态(state of health,soh)以及荷电状态(state of charge，soc)，并且其控制功能维持在模组层级，难以在电芯单体层级准确获知电池soc和soh并进行有效控制。与此同时，基于实验、模型以及数据驱动的电池soh评估方法还受限于无法在运行中使用、传感器累计误差以及计算负载大等影响限制。
4.由于动力电池的设计结构及化学特性，导致其在使用过程中存在热失控的风险，对电池结构与温度的监测是储能系统稳定运行的关键因素。目前行业内普遍采用电学点式温度传感器对电池温度态进行检测，该方法难以实现对每一个电池单体进行检测与定位；与此同时，当前的电池系统无法监测电池的机械状态，导致电池被机械滥用甚至损坏导致热失控。电芯单体的可逆与不可逆的形变与温度变化与电池的内阻增加、容量衰减以及一系列副反应相关，为了对每一个电池单体(cell)进行温度、形变、soc以及soh进行监测，有必要设计一种分布式电池系统原位实时表征技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种基于光纤散射的分布式电池监测系统。
6.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种基于光纤散射的分布式电池监测系统，包括光纤解调分析仪、控制模块和光纤传感器，所述光纤解调分析仪连接控制模块和所述光纤传感器。
8.优选地，所述光纤解调分析仪包括可调谐激光器、两个光纤耦合器、参考光纤、光探测器、数据采集器、信号处理单元、环形器和分光器，所述光纤解调分析仪用于采集电池系统中电池的形变与温度的原始信号，并将原始信号发送至信号处理单元处理，然后发送至控制模块。
9.优选地，所述控制模块用于连接电池管理系统与光纤解调分析仪，基于实时原位电池温度与应变信息，控制光纤解调分析仪的采样频率、扫频速度、扫频范围以及光电调制器，实现多参数可调电池传感系统。
10.优选地，所述光纤传感器由一个应变光纤和一个温度光纤组成，所述应变光纤由第一纤芯和第一包层组成，所述第一纤芯用于传感和传输，所述第一包层用于光隔离和机械保护，可选择性增加涂覆层，为单模传感方式；温度光纤由第二纤芯、第二包层和套管组成，第二纤芯用于传感和传输，第二包层用于光隔离和机械保护，可选择性增加涂覆层，套管为隔离应变的作用，可选择性增加涂覆层，套管可以由高蓬松性玻璃纤维、不锈钢、陶瓷、聚烯烃、聚丙烯中的任一种制成，为单模传感方式。
11.优选地，所述光纤传感器3分布于电池系统中的电芯外表面、正负极、减压排气区以及连接处(一处或多处)，采集电芯单体外部温度场与形变场数据，通过实时监测的机械应变、热应变以及温度评估电池soc和soh以及提供失效预警；
12.解调后的应变光纤传感器所获得的频率(δv
ε-dfos
)变化为：
13.δv
ε-dfos
＝k
t
δt+k
ε
ε
14.其中，k
t
是温度补偿系数，δt是温度差，k
ε
是应变补偿系数，ε是应变值；
15.解调后的温度光纤传感器所获得的频率(δv
t-dfos
)变化为：
16.δv
t-dfos
＝k
t
δt
17.其中：
18.δt(i)＝t(i)-t(b)，其中t(i)为实时温度，t(b)为温度基准值；
19.ε(i)＝εr(i)-ε(b)，其中εr(i)为实时应变，ε(b)为应变基准值；
20.ε(i)＝εm(i)+ε
t
(i)，其中εm(i)为实时由机械形变引发的应变，εm(i)为实时由热形变引发的应变；
21.soc(state of charge)是电池荷电状态；
22.soc(i)＝a
·
ε
m(i)a
+b
·
ε
t(i)b
+c
·
δt(i)c+p(v(i)，i(i))+w；
23.其中，soc(i)为实时电池荷电状态，a为机械形变参考系数，α为机械形变参考指数，b为热形变参考系数，b为热形变参考指数，c为温度参考系数，c为温度参考指数，p为与电压v和电流i相关的电池荷电状态参考值，w为电池荷电状态基数；
24.soh(state of health)是电池健康状态；
25.soh(i)＝d
·
ε
m(i)d
+f
·
ε
t(i)f
+g
·
δt(i)g+q(v(i)，i(i))+v；
26.其中，soh(i)为实时电池健康状态，d为机械形变参考系数，d为机械形变参考指数，f为热形变参考系数，f为热形变参考指数，g为温度参考系数，g为温度参考指数，q为与电压v和电流i相关的为电池健康状态参考值，v为电池健康状态基数。
27.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
28.本发明提供了一种用于电池储能系统的分布式光纤原位表征检测系统及方法，可以实现对大规模储能系统中各个电池单体的实时多物理场监测。本发明系统通过相干调制解调光纤瑞利散射信息，无需提前在传感光纤内设计布拉格光栅，实现对储能系统的机械性能与热性能的实时监测，并通过算法评估电池soc和soh以及提供失效预警，实现高效利用电池功能的同时保障电池储能系统安全运行，避免热失控甚至爆炸等事故的发生。
附图说明
29.图1示出了根据本发明实施例提供的光纤解调分析仪结构示意图；
30.图2示出了根据本发明实施例提供的应变光纤结构示意图；
31.图3示出了根据本发明实施例提供的温度光纤结构示意图；
32.图4示出了根据本发明实施例提供的系统框图结构示意图；
33.图5示出了根据本发明实施例提供的系统展示结构示意图。
34.图例说明：
35.1、光纤解调分析仪；2、控制模块；3、光纤传感器；11、可调谐激光器；12、光纤耦合器；13、参考光纤；14、光探测器；15、数据采集器；16、信号处理单元；17、回形环；18、分光器；31、应变光纤；311、第一纤芯；312、第一包层；32、温度光纤；321、第二纤芯；322、第二包层；323、套管。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
38.一种基于光纤散射的分布式电池监测系统，包括光纤解调分析仪1、控制模块2和光纤传感器3，光纤解调分析仪1连接控制模块2和光纤传感器3；
39.光纤解调分析仪1包括可调谐激光器11、两个光纤耦合器12、参考光纤13、光探测器14、数据采集器15、信号处理单元16、环形器17和分光器18，光纤解调分析仪1用于采集电池系统中电池的形变与温度的原始信号，并将原始信号发送至信号处理单元16处理，然后发送至控制模块2；光纤解调分析仪1为基于光的瑞利(rayleigh)散射传感，检测系统为基于相干解调获取沿着光纤的应变与温度信息，光源发出的频率经线性扫描的连续光被耦合器分为两路，其中一路光被导入传感光纤，另一束光进入参考光纤13，传感光纤和参考光纤13发出的瑞利散射信号通过光电探测器被接收和相干解调；也可在连接中选择性加入可变光衰减器、耦合器、分光器18、环形器17、光开关、以及滤波器。
40.控制模块2用于连接电池管理系统与光纤解调分析仪1，基于实时原位电池温度与应变信息，控制光纤解调分析仪1的采样频率、扫频速度、扫频范围以及光电调制器，实现多参数可调电池传感系统；该控制模块2连接光纤解调分析仪1与bms连接，对光纤解调分析仪1的采样频率和空间分辨率进行控制以及报警判断，控制模块2通过控制光纤解调分析仪1扫频范围实现调制空间分辨率，实现从整个电池系统到电池模块(module)层级以及电池电芯单体，可变层级和可变采样频率进行监测以实现电池系统的有效快速监测，当判断电池单体或模组是受到严重机械破坏或热失控时，直接触发电池单体或模组内继电器，隔离故障电池。
41.光纤传感器3由一个应变光纤31和一个温度光纤32组成，应变光纤31由第一纤芯311和第一包层312组成，第一纤芯311用于传感和传输，第一包层312用于光隔离和机械保护，为单模传感方式；温度光纤32由第二纤芯321、第二包层322和套管323组成，第二纤芯
321用于传感和传输，第二包层322用于光隔离和机械保护，可选择性增加涂覆层，套管323与第二纤芯321、第二包层322之间留有空间，这个空间是可填充空气或者液体的，实现隔绝应变，套管323为隔离应变的作用，可选择性增加涂覆层，套管323可以由高蓬松性玻璃纤维、不锈钢、陶瓷、聚烯烃、聚丙烯中、纳米材料的任一种制成，温度光纤32和应变光纤31的区别在于外侧是否套设有套管323，第一纤芯311和第二纤芯321一模一样，第一包层312和第二包层322一模一样，为单模传感方式；该光纤传感器3不需刻写光栅，使用单模光纤直接作为传感光纤元件与传输媒介，温度光纤32不受应变影响，此一对光纤传感器3并列铺设在电芯单体外部，包括电芯外表面、正负极、减压排气区以及连接处，采集电芯单体外部温度场与形变场数据。
42.光纤传感器3分布于电池系统中的电芯外表面、正负极、减压排气区以及连接处(一处或多处)，采集电芯单体外部温度场与形变场数据，通过实时监测的机械应变、热应变以及温度评估电池soc、soh以及失效状态；
43.电池形变与温度监测点的位置由放置在被测点的光纤传感器确定，各个被测点之间的距离可根据具体需求任意调整；相比于现有的布拉格光栅光纤传感以及电学传感系统，各个测试点的位置是提前确定的；本发明利用两根传感光纤实现应变与温度的补偿解析，测试精度高，灵活定强；
44.解调后的应变光纤传感器所获得的频率(δv
ε-dfos
)变化为：
45.δv
ε-dfos
＝k
t
δt+k
ε
ε
46.其中，k
t
是温度补偿系数，δt是温度差，k
ε
是应变补偿系数，ε是应变值；
47.解调后的温度光纤传感器所获得的频率(δv
t-dfos
)变化为：
48.δv
t-dfos
＝k
t
δt
49.其中：
50.δt(i)＝t(i)-t(b)，其中t(i)为实时温度，t(b)为温度基准值；
51.ε(i)＝εr(i)-ε(b)，其中εr(i)为实时应变，ε(b)为应变基准值；
52.ε(i)＝εm(i)+ε
t
(i)，其中εm(i)为实时由机械形变引发的应变，εm(i)为实时由热形变引发的应变；
53.soc(state of charge)是电池荷电状态；
54.soc(i)＝a
·
ε
m(i)a
+b
·
ε
t(i)b
+c
·
δt(i)c+p(v(i)，i(i))+w；
55.其中，soc(i)为实时电池荷电状态，a为机械形变参考系数，α为机械形变参考指数，b为热形变参考系数，b为热形变参考指数，c为温度参考系数，c为温度参考指数，p为与电压v和电流i相关的电池荷电状态参考值，w为电池荷电状态基数；
56.soh(state of health)是电池健康状态；
57.soh(i)＝d
·
ε
m(i)d
+f
·
ε
t(i)f
+g
·
δt(i)g+q(v(i)，i(i))+v；
58.其中，soh(i)为实时电池健康状态，d为机械形变参考系数，d为机械形变参考指数，f为热形变参考系数，f为热形变参考指数，g为温度参考系数，g为温度参考指数，q为与电压v和电流i相关的为电池健康状态参考值，v为电池健康状态基数。
59.实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限
制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。