CN102062646A - 一种锂离子电池表面温度的测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池表面温度的测量装置，包括箱体，箱体内设有荧光激发光源、光源驱动电路、光路耦合器，荧光信号探测及处理器，箱体上设有荧光光纤测温探头和显示器，各荧光光纤测温探头组成荧光光纤测温探头阵列。本发明所述的锂离子电池二维表面温度的实时测量方法为锂离子电池的表面均匀涂覆荧光物质，荧光物质采用稀土三基色荧光粉、硫氧化钆铽或氟锗酸镁；根据锂离子电池的表面尺寸，制作同等面积的荧光光纤阵列，荧光光纤阵列密集排布，每根光纤之间用环氧胶粘接固定，光纤阵列接受荧光信号端研磨抛光处理；荧光光纤阵列另一端每根光纤探头分离，分别连接到荧光光纤温度传感器的接口端；测温时，将固定的荧光光纤阵列一端与被测的锂离子电池表面接触，即可测得锂离子电池二维表面每点的实时温度。

Description

一种锂离子电池表面温度的测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池表面温度的测量装置和测量方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

锂离子电池作为一种新型清洁、可再生的二次能源，具有工作电压高、能量密度大、质量轻等优点，在手机、笔记本电脑、电动工具、数码相机和军事国防等领域都得到广泛的应用，并显示出强劲的发展趋势。

然而，锂离子电池在滥用条件下(如加热、过充、过放、短路、振动、挤压等)，会出现着火、爆炸甚至人员受伤等事件。因此，高容量及动力型锂离子电池推广的主要制约因素就是安全性问题。另外，锂离子电池在放电过程中有一定的温度限制，放电过程受焦耳热、反应热、极化热等影响，会有大量热量聚集，使电池温度上升，影响电池寿命和循环效率，严重的会引起爆炸。锂离子电池在放电过程中，电池单体表面温度分布是不均匀的，因此锂离子电池表面温度的测量对于锂离子电池热模型的研究有重要的参考意义，依此建立的模型可以预测锂离子电池处在滥用情况下的安全性能，通过对模型参数的修改，可以给出影响锂离子电池热安全的因素，为电池安全设计提供理论依据。

常用的锂离子电池表面温度测量方法有热成像法和热电偶法，热成像法因为是非接触测量和本身测量精度的限制，存在测量精度不高的缺点，传统的热电偶测温方式，因为存在测量精度低、测量不稳定、带电测量不安全和测量探头体积大等缺点，不能有效的测量锂离子电池的二维表面实时温度。

发明内容

本发明的目的是设计一种锂离子电池表面温度的测量装置和测量方法，具体是提供一种基于荧光寿命检测温度的方法和荧光光纤温度测量装置。

本发明要解决的是现有测量装置和测量方法不能有效安全的测量锂离子电池的二维表面实时温度，且测量的结果不精确的问题。

本发明的测温原理是基于稀土荧光物质的材料特性实现的，某些稀土荧光物质受紫外线照射并激发后，在可见光谱中发射线状光谱，即荧光及其余辉(余辉为激励停止后的发光)。荧光余辉的衰变时间常数是温度的单值函数，通常温度越高，时间常数越小。只要测得时间常数的值，就可以求出温度。应用这种方法测温的最大优点，就是被测温度只取决于荧光材料的时间常数，而与系统的其他变量无关，例如光源强度的变化、传输效率、耦合程度的变化等都不影响测量结果，较光强测温法和波长解调法原理上有明显优势。

本发明所述的锂离子电池表面温度的测量装置，包括箱体，箱体内设有荧光激发光源、光源驱动电路、光路耦合系统，荧光信号探测及处理系统，箱体上设有荧光光纤测温探头和显示系统。

所述的光源驱动电路用于产生周期性电脉冲来驱动LED光源，使其产生相应的激励脉冲光波，该光源驱动电路由单片机控制。

所述的光路耦合系统包括滤波片、耦合透镜和结构件，滤波片和耦合透镜固定在结构件上，结构件固定在箱体内，以实现光路耦合要求的精确定位。

所述的荧光光纤测温探头采用细芯径耐腐蚀荧光光纤；各荧光光纤测温探头组成荧光光纤测温探头陈列。

本发明的测量装置的优点：

1)本发明测量范围大，可实现温度-50～350℃温度范围的测量，测量精度高，可实现精度高于±0.5℃；

2)本发明测量装置用的测温探头的结构设计简单合理，制造成本低；

3)本发明测温探头尺寸小，柔韧性好，耐高温，可实现探头直径0.1mm，弯曲半径最小到5mm以下，不同测温探头和不同信号检测模块均可以互换，测温探头和信号检测模块替换后不需要校正，测温探头无金属材料，具有完全的电绝缘性，不受高压、强电磁场的影响，抗化学腐蚀和无污染；

在重复的热循环下，测温探头的材料和结构非常稳定，测温探头的性能对光信号的变化不敏感，使用寿命长。

本发明所述的锂离子电池二维表面温度的实时测量方法为：

1.在锂离子电池的表面均匀涂覆荧光物质，荧光物质采用稀土三基色荧光粉、硫氧化钆铽或氟锗酸镁。

2.根据锂离子电池的表面尺寸，制作同等面积的荧光光纤阵列，荧光光纤阵列密集排布，每根光纤之间用环氧胶粘接固定，光纤阵列接受荧光信号端研磨抛光处理。

3.荧光光纤阵列另一端每根光纤探头分离，分别连接到荧光光纤温度传感器的接口端。

4.测温时，将固定的荧光光纤阵列一端与被测的锂离子电池表面接触，即可测得锂离子电池二维表面每点的实时温度。

本发明测试方法的优点是：

可以对锂离子电池表面温度进行实时、高精度探测，可以直接获得锂离子电池表面温度场的二维分布，从而更科学有效的建立锂离子电池表面温度场的二维模型。

附图说明

图1是基于荧光寿命检测的光纤温度测量装置组成示意图。

图2是荧光光纤探头阵列示意图。

图3是锂离子电池表面温度测量装置组成示意图。

上述各附图标号说明如下：

1-光纤探头，2-光纤，3、4、9-聚焦耦合透镜，5-LED，6-温度值显示器(即显示部分)，7-电子电路部分，8-荧光信号探测及处理系统，10-滤波片，11-箱体，12-填充胶，13-保护外壳，14-光纤陈列，15-锂电池，16-开关。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明的一种锂离子电池表面温度的测量装置，包括箱体11，其箱体11内设有荧光激发光源5、光源驱动电路7、光路耦合系统，荧光信号探测及处理系统8，箱体上设有荧光光纤测温探头1和显示系统。

所述的荧光激发光源5采用波长为470nm的发光二极管(LED)。

所述的光源驱动电路7用于产生周期性电脉冲来驱动LED光源，使其产生相应的激励脉冲光波，该光源驱动电路7由单片机控制。

所述的光路耦合系统包括滤波片10、耦合透镜3、耦合透镜4、耦合透镜9和结构件，滤波片10对470nm波长的光反射，对510nm附近波长的光透射，耦合透镜3、耦合透镜4、耦合透镜9采用非球面透镜、球透镜、自聚焦透镜、塑料透镜中的至少一种。滤波片10和耦合透镜3、耦合透镜4、耦合透镜9固定在结构件上。结构件固定在箱体内，以实现光路耦合要求的精确定位。

所述的荧光光纤测温探头1采用细芯径耐腐蚀荧光光纤，该光纤探头部分掺杂荧光物质，光纤外侧镀有抗氢氟酸腐蚀的金属材料，如镍或铜；光纤外径可细至0.1mm。

荧光光纤测温探头1组成荧光光纤阵列14。

所述的显示系统包括液晶显示屏6或光电二极管显示屏或其它数码管显示屏、显示处理电路，实时显示测试温度。液晶显示屏6和显示处理电路连接。

如图2所示，荧光光纤阵列14由光纤探头1、填充胶12及保护外壳13组成。荧光光纤阵列14面积根据锂离子电池的表面尺寸制作，光纤探头1密集排布，每根光纤之间用环氧胶粘接固定，光纤阵列14一端研磨抛光处理。

本发明所述的锂离子电池二维表面温度的实时测量方法为：

在锂离子电池15的表面均匀涂覆荧光物质，荧光物质采用稀土三基色荧光粉、硫氧化钆铽或氟锗酸镁。

根据锂离子电池15的表面尺寸，制作同等面积的荧光光纤阵列14，荧光光纤阵列14密集排布，每根光纤2之间用环氧胶粘接固定，光纤阵列14接受荧光端研磨抛光处理。荧光光纤阵列14另一端每根光纤探头分离，分别连接到荧光光纤温度传感器的接口端。

测温时，将固定的荧光光纤阵列14一端与被测的锂离子电池15表面接触，即可测得锂离子电池15二维表面每点的实时温度。

测试过程参见图3。测试前在锂离子电池15的表面均匀涂覆荧光物质，荧光物质采用稀土三基色荧光粉、硫氧化钆铽或氟锗酸镁。测试时将固定的荧光光纤阵列14一端与被测的锂离子电池15表面接触，另一端连接到多通道阵列荧光光纤温度测量信号解调处理装置的接口端。荧光光纤阵列探头1探测到温度的变化经由光纤探头感应到，带有温度信息的荧光通过光纤2传至温度传感器进行寿命检测，进而得到温度信息，并由显示系统实时显示，即可测得锂离子电池15二维表面每点的实时温度。

试验证明，本发明可以对锂离子电池表面温度进行实时、高精度探测，可以直接获得锂离子电池表面温度场的二维分布，从而更科学有效的建立锂离子电池表面温度场的二维模型。

Claims (6)

1.一种锂离子电池表面温度的测量装置，包括箱体，其特征在于箱体内设有荧光激发光源、光源驱动电路、光路耦合器，荧光信号探测及处理器，箱体上设有荧光光纤测温探头和显示器；

所述的光源驱动电路路由单片机控制；

所述的光路耦合器包括滤波片、耦合透镜和结构件，滤波片和耦合透镜固定在结构件上，结构件固定在箱体内；

所述的荧光光纤测温探头采用细芯径耐腐蚀荧光光纤；各荧光光纤测温探头组成荧光光纤测温探头陈列。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池表面温度的测量装置，其特征在于所述的荧光激发光源采用发光二极管LED。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池表面温度的测量装置，其特征在于耦合透镜采用非球面透镜、球透镜、自聚焦透镜、塑料透镜中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池表面温度的测量装置，其特征在于光纤探头部分掺杂荧光物质，光纤外侧镀有抗氢氟酸腐蚀的金属材料，所述的金属材料包括镍或铜。

5.根据权利要求1所述的锂离子电池表面温度的测量装置，其特征在于所述的显示器包括液晶显示屏或光电二极管显示屏或其它数码管显示屏、显示处理电路，实时显示测试温度，液晶显示屏和显示处理电路连接。

6.一种锂离子电池内部温度的测量方法，其特征在于所述的测量方法至少包括如下步骤：

1)在锂离子电池的表面均匀涂覆荧光物质，荧光物质采用稀土三基色荧光粉、硫氧化钆铽或氟锗酸镁；

2)根据锂离子电池的表面尺寸，制作同等面积的荧光光纤阵列，荧光光纤阵列密集排布，每根光纤之间用环氧胶粘接固定，光纤阵列接受荧光信号端研磨抛光处理；

3)荧光光纤阵列另一端每根光纤探头分离，分别连接到荧光光纤温度传感器的接口端；

4)测温时，将固定的荧光光纤阵列一端与被测的锂离子电池表面接触，即

可测得锂离子电池二维表面每点的实时温度。

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