CN103713208A - 用于能量储存设备的监测和管理 - Google Patents
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Abstract
一种监测和管理系统（MMS）包括一个或多个光纤电缆，一个或多个多模光纤电缆布置在能量储存设备的部分内或上。每个光纤电缆包括多个光学传感器。至少一个光学传感器构造成检测能量储存设备的参数，该参数与由多个光学传感器中的至少一个其他光学传感器所检测的能量储存设备的参数不同。MMS包括光源和检测器，光源构造成向一个或多个光纤电缆提供光，检测器构造成检测由光学传感器反射的光。检测器基于反射光产生电信号。处理器经联接以接收电信号、分析电信号并基于对电信号的分析来判定能量储存设备的状态。
Description
技术领域
本申请一般地涉及用于监测和/或管理能量储存和/或电力系统的技术。本申请还涉及与这些技术有关的部件、设备、系统和方法。
发明内容
本文描述的各种实施例涉及用于监测和/或管理能量储存设备、电力系统和其他这种设备的系统和方法。在一些实施例中，一种监测和管理系统（MMS）包括布置在能量储存设备的各部分之内或之上的一个或多个光纤电缆。每个光纤电缆包括多个光学传感器。至少一个光学传感器构造成检测能量储存设备的参数，该参数与由多个光学传感器中的至少一个其他光学传感器所检测的能量储存设备的参数不同。MMS包括光源和检测器，光源构造成向一个或多个光纤电缆提供光，检测器构造成检测由光学传感器反射的光。检测器基于反射光产生电信号。处理器被联接以接收电信号、分析电信号并基于对电信号的分析来判定能量储存设备的状态。在一些实施方式中，多个光纤电缆包括多模光纤电缆。
附图说明
图1示出根据本文描述的实施例的监测和管理系统的总体框图；
图2示出用于电池的监测和管理系统的框图；
图3示出用在电力供应检测和管理系统中的光纤布拉格光栅（FBG）传感器的反射光谱；
图4示出用于部署在单模光纤电缆上的FBG传感器的波长谱中的理想漂移；
图5示出用于部署在多模光纤电缆上的FBG传感器的波长谱的漂移；
图6示出图5的FBG传感器的波长谱调制包络的漂移；
图7示出具有多种类型的传感器的电池，所述传感器布置在所述电池中，以感测多个电池参数；
图8是图7的电池的详细视图，示出传感器在电池的电极内的部署；
图9是示出用于电力供应检测的用来检测在被感测参数中的变化的分析器的各部分的框图；
图10是示出使用非像素化光敏检测器的分析器的各部分的框图；
图11是封装的分析器的照片；和
图12是示出可以用于能量储存设备的管理过程的流程图。
类似的附图标记表示类似的部件；并且
除非另有说明，否则附图不需要按比例。
具体实施方式
本说明书中描述的实施例涉及可以用于发电系统和/或能量储存设备的基于光学的智能监测和管理系统。本文描述的监测和管理系统能够实现综合实时性能管理并且减少电力和/或能量系统的超裕度设计(overdesign)。本文描述的监测和管理系统组合嵌入式光纤传感器以检测内部能量储存/电力系统参数，并且还可以包括外部传感器以检测外部能量储存/电力系统参数。来自内部和/或外部传感器的输出可以由智能算法使用，以推断出能量储存/电力系统状态信息并且作出预测，例如能量储存系统的健康状况和剩余可用能量。本文公开的方法可应用于电池和电池组、燃料电池堆、基于涡轮机的发电系统、和其他类型的能量储存和发电设备和系统。
图1是可以用于能量储存设备和/或发电系统的监测和管理系统（MMS）100的框图。多个内部光学传感器111-114布置在能量储存/电力系统101的内部，并且可以构造成感测能量储存/电力系统101的多个内部特性。例如，内部光学传感器111-114可以测量能量储存/电力系统101的一个或多个参数，例如内部温度、应力、应变、加速度、离子浓度、化学性质和/或其他内部参数。图1所示的内部光学传感器111-114检测第一、第二和第三参数。第一、第二和第三参数是不同类型的参数，例如温度、应变和/或化学性质。在图示的示例中，传感器111是用于感测第一参数的第一传感器，传感器114是同样感测第一参数的第二传感器。传感器111和传感器114可以定位在能量储存/电力系统101内的不同位置上，和/或传感器111和传感器114的输出可以被组合以获得用于第一感测参数的平均或合成值。可替换地，相同类型的多个传感器可以用于产生在能量储存设备或发电系统的内部和/或外部的一个或多个参数的空间分布的图。注意，尽管在本示例中使用术语第一、第二和第三，但是这些术语并不是暗示任何等级或优先关系，而仅是用于在不同的传感器和/或参数之间做出区分。
内部光学传感器111-114通过一个或多个光纤（FO）电缆110联接到光源120和内部参数分析器130。在某些情况下，光学传感器111-114设置在单一FO电缆上，来自传感器的光学信号使用例如光时分复用（TDM）和/或光波分复用（WDM）和/或其他各种光学信号复用的技术被多路复用。设置在FO上的传感器可以包括任意类型（或多种类型）的光学传感器，包括光纤布拉格光栅（FBG）传感器和/或标准具或法布里-珀罗（FP）传感器。FBG、标准具和FP传感器都在本文中统称为FO传感器。尽管下面提供的某些示例基于FBG传感器，可以理解其他类型的光学传感器也可以可替换地或附加地用在这些和其他示例中。
光源120通过光纤电缆110将光提供至内部光学传感器111-114，在此，传输的光与每个传感器111-114相互作用。每个传感器接收光的特定波长并且反射光的特定波长。在一些情况下，一些传感器同与其他传感器不同的光相互作用。例如由一些传感器反射的波长可以不同于由其他传感器反射的波长。由传感器111-114反射的光被分析器130检测到。如下文更详细所述，分析器130能够检测从传感器111-114反射的光的波长漂移，其中反射光中的波长漂移表示感测的内部参数。
MMS100可以可选地包括外部参数分析器140，外部参数分析器140布置在能量储存/电力系统101外部并且构造成测量能量储存/电力系统101的一个或多个外部参数，例如电流、电压和/或功率输出。在一些实施方式中，内部参数分析器130和/或外部参数分析器140可以分别通过输出线131和141电联接到管理系统150。内部参数分析器130在输出线131上提供与内部参数有关的信息，外部参数分析器在输出线141上提供与外部参数有关的信息。管理系统150通常包括构造成执行各种处理的处理器和/或其他电路，这些处理基于由内部参数分析器130和/或外部参数分析器140提供的信息来评估能量储存/电力系统状态。根据各种实施方式，能量储存/电力系统101的某些方面，例如在电池情况下的充电率和/或充电循环，可以自动地通过来自管理系统150的反馈输出151受到控制。管理系统可以使用来自内部参数分析器和/或外部参数分析器的信息，以对于能量储存/电力系统的状态进行预测和/或估计。这些预测和估计可以使用理论和/或经验数据得出，并且可以是基于能量储存/电力系统的操作条件、对内部和/或外部参数的测量、和/或操作条件和测量参数之间的相关性而可改变的。一些实施方式可以提供能量储存/电力系统监测，并且因此可以不包括管理系统，和/或在某些实施方式中，管理系统可以不向能量储存/电力系统提供反馈。
在一些情况下，基于内部和/或外部参数分析器的信息可以由管理系统150获得并且可以通过电子或印刷报告被提供至操作者。例如，管理系统150可以编译、分析、统计和/或总结内部和/或外部参数，和/或可以基于内部和/或外部参数执行其他处理，例如预测和/或估计能量储存/电力系统的状态。这些处理的结果和/或从监测能量储存/电力系统得出的其他信息可以提供成报告，该报告可以以图形或文字或以任意方便形式显示给能量储存/电力系统的操作者和/或可以被提供给另一计算机系统以存储在数据库中和/或进一步分析。如前所述，本文描述的监测和管理系统一般地应用于各种能量储存/电力系统或能量储存/电力系统部件，包括基于涡轮机的发电系统、电池、燃料电池堆和/或其他类型的系统。
例如，图1所示的MMS100可以用于监测和/或管理向电动车提供电力的电池的充电状态和/或健康状况。图2示出由电池监测和管理系统（BMMS）200监测和/或管理的电池201。BMMS的监测部分包括内嵌在电池201的单元202内并且设置在单一光纤（FO）电缆210上的多个多路复用FBG传感器（未示出）。BMMS系统可以包括一个或多个FO电缆，其中每个FO电缆包括多个传感器。在各种实施方式中，电池整体上的内部参数（例如多个单元间的平均参数）和/或一个或多个电池单元的内部参数可以受到监测。可以由传感器监测的一组非限制示例性参数包括温度、应力、应变、内部压力、离子浓度和/或化学成分或浓度中的一种或多种。
BMMS200包括联接到FO电缆210的光源/分析器220。尽管图2中示出一个光源/分析器220，但是在某些构造中，多个光源/分析器可以分别联接到包括多路复用光学传感器的多个FO电缆。
来自光源220的光传输通过FO电缆210，在此，被传输的光与沿着FO电缆210间隔开的FBG传感器相互作用。反射光被光源/分析器220的分析器部分检测到并进行分析。在一些实施方式中，电池201的电压和/或电流和/或其他外部电池参数可以被测量并提供给电池管理处理器230。
FBG传感器通过沿着FO电缆的缆芯的有限长度（通常为几mm）进行折射率的周期性调制而形成。这种模式反射由FBG传感器的折射率分布的周期性所确定的被称为布拉格波长的波长。实际上，传感器通常反射以布拉格波长为中心的波长窄带。在外部刺激的特征值或基值下的布拉格波长表示为λ，当传感器处于基准条件下时反射具有波长λ的光（和波长λ附近的窄带）。例如，基准条件可以对应于25摄氏度和/或零应变。当传感器受到外部刺激（例如温度、应变或其他这种刺激）时，刺激改变FBG的光栅和折射率的周期性，从而将反射波长改变成与基准波长λ不同的波长λs。产生的波长漂移Δλ/λ=(λ-λs)/λ是对刺激的直接测量。
波长漂移（Δλ/λ）同时与FBG传感器中的应变和温度之间的关系是：
Δλ/λ={1-n2/2[p12-n(p11+p12)]}ε1+[α+1/n(dn/dT)]ΔT [1]
其中n是折射率，p11和p12是应变光学常数，ε1是纵向应变，α是热膨胀系数，T是温度。在一些实施方式中，通过使用（由于设计或安装）受到应变和温度不同影响的多个FBG传感器、双光纤或特殊FBG传感器与数据评价算法结合，可以将应变和温度对波长漂移的影响分开。
检查在方程式[1]中被量化的FBG传感器的响应，很清楚这些传感器对于折射率n、应变ε1和环境温度变化ΔT中的变化敏感。通过剥开传感器元件区域上的FO覆盖层和/或通过对该敏感区域增加适当的涂层，可以使折射率n对传感器的化学环境敏感。可替换地，通过应用将环境的化学成分转换成应变信号的特殊涂层可以使FBG传感器对化学环境敏感（例如，基于钯涂层的氢传感器）。根据本文讨论的实施例，光学传感器（例如FBG传感器）用于检测电池单元中的可能影响性能的化学成分变化。这样的示例是在Li离子电池中由于水分渗透引起形成腐蚀剂、氟化氢（HF）。
FBG对温度变化的敏感性使得能够监测到电池单元内的局部温度。尽管这一般地对于电池系统管理有用，但是这对热失控（thermal runaway）的早期检测特别有益。热失控影响很多电池化学性能，并且由于Li离子电池的高能量密度而在Li离子电池中会是毁灭性的。在热失控期间，失效单元的高热量会传播到下一个单元，使得下一个单元也变得热不稳定。在一些情况下，产生链式反应，其中每个单元以其自身的时间表分解。电池单元组可以在几秒内被毁灭，或者会拖延几个小时，因为每个单元一个接一个被消耗。
FBG传感器对应变的敏感性使得能够将FBG传感器嵌入到电池电极中以监测电极的膨胀/收缩循环（这对于估计例如锂离子电池中的充电水平有用）。附加地，电极应变测量允许检查电极的劣化，并因此检查电池的整体劣化。对应变的FBG敏感性还允许通过获取单元壁应变来测量内部单元压力。
在使用FBG传感器测量电力供应参数时，有利的是区分并量化感兴趣的多个参数的单独贡献(contribution)。在一些情况下，可以使用多传感器构造，以使得感兴趣的参数可以补偿其他参数的贡献。例如，双传感器手段可以用于温度补偿化学感测，其中两个传感器可以布置得很靠近。在一些实施方式中，两个传感器中的第一传感器暴露于温度并且还通过剥开该第一传感器的覆盖层而暴露于化学环境。两个传感器中用于补偿的第二传感器保留其覆盖层并且仅对温度敏感。类似构造可以用于温度补偿应变测量和应变补偿温度测量。
对于温度补偿应变测量，两个FBG传感器放置得很靠近，其中第一传感器暴露于应变和温度，用于补偿的第二传感器暴露于温度而不暴露于应变。第二传感器的温度测量用于补偿第一传感器的应变测量中的温度变化。例如，第一传感器可以放置在电池的电极或单元壁内，第二传感器在受到已知的/或不改变的应变的同时，可以放置在第一传感器的位置附近和/或与第一传感器的位置具有大约相等温度的位置处。例如，第二传感器可以放置在电极或单元壁附近但不是在电极或单元壁内。
光纤传感器已经被证实能承受各种恶劣环境和在各种恶劣环境中运行。所使用的最通常材料是硅石(silica)，硅石耐腐蚀、可以承受高拉伸应变并且可以在-200℃和800℃之间依然能使用。基于硅石的FBG传感器一致地提供它们的峰值波长与温度的可重复相依性，并且在高达300℃下完成的测试中没有热滞。期望FBG传感器将在铅酸电池中长期存活（13-25年），并且在HF（Li离子电池的副产物：期望一年要比在开始形成HF之后Li离子电池的寿命更长）中存活至少高达一年。各种类型的塑料也对于FO电缆和光学传感器有用。光纤传感器（例如FBG传感器）和标准具（FP）传感器相对于冲击和振动是稳定的。因此，能量储存/电力系统（例如电池）中的嵌入式光纤传感器提供覆盖各种架构和化学性质的可靠测量和监测相关参数的有吸引力方案。
基于FBG的感测允许将多个感测元件（例如约64个传感器）结合在单一FO电缆上。每个传感器可以通过多路复用（例如WDM或TDM）被单独询问。图3中示出用于多个传感器的波分复用的一个具体实施方式。宽带光源310与多个FBG传感器321-323一起使用。FBG传感器321-323中的每一个被调节以主要地对不同波长带的光进行反射，并且沿着FO电缆彼此间隔开地并且在与光源310相距不同距离处部署在同一光纤上。每个FBG传感器被指定为测量不同参数或参数组合。与各个FBG的特征基础波长之间的间隔相比，由检测的参数的变化所引起的波长漂移较小。因此，可以在光学WDM方案中使用线性可变滤波器或色散元件来将来自不同FBG的信息分开。可替换地，光学TDM方案可以被实施为通过在FO电缆中传输一系列光的短脉冲而进行操作，其中光脉冲的波长彼此不同并且选择性地针对沿着FO电缆的各种FBG传感器。
图3示出利用使用光学WDM被多路复用的传感器输出来监测能量储存/电力系统的多个参数的监测系统。如图3所示，宽带光被光源310发出，例如，光源310可以包括或者是发光二极管（LED）或超辐射激光二极管（SLD）。宽带光的光谱特性（强度对波长）由插图曲线391示出。光通过FO电缆311被传输到第一FBG传感器321。第一FBG传感器321反射具有中央或峰值波长λ1的第一波长带中的一部分光。具有第一波长带之外的其他波长的光被传输通过第一FBG传感器321而到达第二FBG传感器322。传输到第二FBG传感器322的光的光谱特性在插图曲线392中示出，并且呈现为在以λ1为中心的第一波长带处的凹口，表示该波长带中的光被第一传感器321反射。
第二FBG传感器322反射具有中央或峰值波长λ2的第二波长带中的一部分光。未被第二FBG传感器322反射的光被传输通过第二FBG传感器322而到达第三FBG传感器323。被传输到第三FBG传感器323的光的光谱特性在插图曲线393中示出，并且包括以λ1和λ2为中心的凹口。
第三FBG传感器323反射具有中央或峰值波长λ3的第三波长带中的一部分光。未被第三FBG传感器323反射的光被传输通过第三FBG传感器323。被传输通过第三FBG传感器323的光的光谱特性在插图曲线394中示出，并且包括以λ1、λ2和λ3为中心的凹口。
具有中央波长λ1、λ2和λ3的波长带381、382、383（插图曲线395中示出）中的光沿着FO电缆311和311’分别被第一、第二或第三FBG传感器321、322、323反射到分析器330。分析器330可以将中央波长λ1、λ2和λ3中的每一者的漂移和/或由传感器321-323反射的波长带与特征基础波长（已知波长）进行对比，以判定由传感器321-323检测的参数是否已经发生变化。分析器可以基于波长分析来判定一个或多个检测的参数已经改变，并且可以计算变化的相对或绝对测量结果。
在一些情况下，代替发射宽带光，光源可以扫描波长范围，发出窄波长带中的光，布置在FO电缆上的各种传感器对该窄波长带中的光敏感。在相对于窄带光的发射定时的多个感测周期中感测反射光。例如，考虑传感器1、2和3布置在FO电缆上的方案。传感器1对波长带（WB1）敏感，传感器2对波长带WB2敏感，传感器3对WB3敏感。光源可以受到控制以在时间周期1中发出具有WB1的光，并且在与时间周期1重叠的时间周期1a中感测反射光。在时间周期1a之后，光源可以在时间周期2中发出具有WB2的光并且在与时间周期2重叠的时间周期2a中感测反射光。在时间周期2a之后，光源可以在时间周期3中发出具有WB3的光并且在与时间周期3重叠的时间周期3a中感测反射光。使用这种形式的TDM，每个传感器可以在分离的时间周期中被询问。
用于能量储存/电力系统监测的FO电缆可以包括单模（SM）FO电缆（如图3所示）或可以包括多模（MM）FO电缆。尽管单模光纤电缆提供更易于解释的信号以实现更广泛的适用性和更低的制造成本，但是也可以使用多模光纤。
MM光纤可以由塑料而不是硅石制成，硅石通常用于SM光纤。塑料光纤当与硅石光纤的回转半径相比时具有更小的回转半径，从而使得塑料光纤对于例如嵌入在电池单元和在燃料电池堆的单独单元中更加实用。此外，MM光纤可以利用比较便宜的光源（例如LED）进行操作，这与SM光纤相反，SM光纤会需要利用超辐射二极管（SLD）进行更精密的对准。因此，基于MM光纤中的光学传感器的感测系统期望产生更低成本的系统。
图4是从部署在SM FO电缆上的FBG传感器反射的光的理想表示。在特征基础或已知状态中，FBG传感器反射具有中央或峰值波长λ的相对窄波长带410中的光。在FBG传感器经历感测条件的变化（例如，温度、应变、化学环境的变化）之后，由传感器反射的光漂移到具有中央波长λs的不同波长带420。波长带420当与波长带410相比时在宽度、幅度和其他形态特征方面类似，但是波长带420的中央波长λs从波长带410的中央波长λ漂移430了与感测条件的变化有关的量。例如，类似宽度的波长带可以被认定为具有类似的半最大值全宽度（FWHM）值的波长带。
图5示出来自部署在MM FO电缆上的FBG传感器的实际数据。部署在MM FO电缆上的FBG传感器反射多个波长带中的光，与SM FO电缆上的FBG传感器相反，在SM FO电缆上的FBG传感器中只有一个波长带被光栅反射。在特征基础条件下，传感器反射可以如曲线510所示的包括多个更窄波长带（也成为模）的特征谱。当被感测的参数发生改变时，反射波长谱520基本保持其形状，但是响应于感测条件而沿波长漂移。本文讨论的分析器特别适合于询问MM FBG传感器，因为这些分析器检测光谱中心（波长谱调制包络的中心值），而不是单独模的漂移。图6示出基础波长谱510的基础波长谱调制包络610，表示当FBG传感器在基础条件下时的反射光。包络610可以中央或峰值波长λc和FWHM值为特征。当暴露于被感测的条件时，波长谱520的反射波长谱调制包络620漂移到新的中央或峰值波长λcs。包络620可以FWHM值和中央或峰值波长λcs为特征。漂移的包络620的FWHM值可以保持基本上从基础FWHM值未改变，但是中央或峰值波长λcs从基础中央波长λc漂移了与感测参数的变化相关的量。
图7示出具有SM FO电缆710的Li离子电池701的一部分，其中多个光学传感器721-725沿着SM FO710部署，以使得传感器721-725布置在电池701内的策略性位置上。一个或多个传感器感测的电池参数不同于由一个或多个其他FBG传感器检测的电池参数。电池701包括多个单元，每个单元具有由间隔层704分隔开的阳极电极702和阴极电极703。
光学传感器包括设置在电池的第一电极上或嵌入在第一电极内的第一应变传感器721、和设置在电池的第二电极上或嵌入在第二电极内的第二应变传感器725。在本示例中，第一应变传感器721和第二应变传感器725布置在电极上或电极内，电极设置在电池701的相对侧上。SM FO电缆710还包括两个温度传感器722、724。在图7的实施例中，化学传感器723布置在温度传感器722、724之间。
图8示出在传感器721位置处电池701的一部分的放大横截面图。阴极703包括阴极材料703a和阴极集电器703b，阴极材料703a设置在电解质基体705内。阳极包括阳极材料702a和阳极集电器702b，阳极材料702a设置在电解质基体705内。阳极702和阴极703由分离体层(separatorlayer)704分隔开。SM FO电缆710包括传感器721的一部分嵌入在阳极702内，其中光学传感器721可以用于测量阳极702的应变和/或温度。
图7和图8示出包括商用单模光纤（SM FO）电缆的一个代表性实施例，多个FBG传感器插入在Li离子电池中，这些FBG传感器在1.55um波长范围内操作并且用于温度、应变和化学感测。为在应变和温度之间进行区分，使用特殊应变传感器或传感器的组合。例如，特殊应变传感器可以与由分析器或MMS实施的补偿处理结合使用。这些补偿处理根据温度补偿应变。在很多情况下，热响应时间远慢于弹性响应时间。在应变信号以远高于温度的频率改变（例如，在以50Hz旋转的涡轮机中或在电动车（EV）中快速放电的电池中）的情况下，可以实现温度补偿/分离。
可替换地，如上所述可以使用两个传感器，其中补偿光学传感器布置在与电极分离的位置上，因此对温度敏感但是不受到电极应变影响。来自补偿传感器的信号用于对来自用于测量电极应变的传感器的信号进行温度补偿。
两个温度传感器722、724可以在相同波长下操作，或者两个传感器722、724可以在询问波长带内的波长下操作。在任一情况下，传感器可以被同时询问以提供平均单元内部温度。当光源发出包括两个传感器都反射的波长带的询问光时，发生同时询问。最靠近光源的传感器反射波长带中的第一部分光，第二传感器反射波长带中的第二部分光。注意，如果多个FBG传感器具有相同或重叠的波长范围，则传感器的反射性会相对低。否则，来自最远离光源的传感器的反射信号将被更靠近光源的传感器反射。在特定波长下多个传感器中的第一传感器可以基本不受影响，但是根据透射/反射的信号强度，在该波长下每个后续传感器会具有减小的敏感性。在询问波长范围内具有不重叠波长范围的两个传感器对于它们的反射性来说不受如此约束，并且如果询问波长范围与两个传感器的波长敏感性范围重叠，则仍然可以同时被询问。
两个应变传感器721、725也可以在同样的波长范围中、或者在与用于温度传感器722、724的波长范围不同的询问波长范围内进行操作。在图7所示的实施例中，应变传感器721、725嵌入到在电池701的相对侧上的最外的电极内，以获得电池的平均电极应变（在补偿温度影响之后）。
化学传感器723可以是功能化应变传感器，例如具有涂层的应变传感器，该涂层对围绕该应变传感器的特定化学/离子溶液的浓度反向敏感，并且随着化学浓度增大/减小而膨胀或收缩，从而反射表示化学/离子浓度的信号。可替换地，侧面抛光的FBG传感器可以用于检测电池化学性质，其中侧面抛光暴露出FBG以使得通过暴露于电池的化学环境而引起由传感器反射的信号的变化。化学传感器723可以用于提供与由老化相关的劣化引起的电解质的不利化学变化有关的信息。五个传感器721-725可以利用宽带光源（例如一个或多个超辐射LED或LD）照明，由传感器721-725产生的反射峰值将在光谱上分开并且唯一地与FBG传感器721-725中的每种类型相关。如本文更详细描述的，反射峰值中的光谱漂移将由分析器分辨出。如上所述，这种询问技术可以与时分多路复用（在不同的时刻打开不同的光源以询问传感器的特定子组）组合。
商业应用的更经济构造将使用MM FO电缆，代替图7和图8所示的SM FO电缆。MM FO电缆比SM FO具有更大的缆芯直径（通常>50μm），因此能够实现简化的系统组件。此外，MM FO能够使用标准LED作为宽带光源，标准LED比超辐射LED便宜很多。本文讨论的分析器特别适合于上面设置有光学传感器的MM FO，这是因为这些分析器能够判定所有模的平均波长漂移，而不是单独的模的波长漂移。此外，本文讨论的分析器对于入射光的FWHM非常不敏感。
FBG温度传感器的典型波长漂移是约10pm/K，使得100℃的代表性动态范围对应于1nm的总波长变化。在MM光纤中具有10pm的期望波长检测精度（在SM光纤中被证实为30fm）的情况下，可实现1℃的温度精度。对于应变测量，对于在Li电池电极中10%的报告体积变化，估计电极在每个方向上的总长度变化为约3.2%。因此，即使利用MM光纤，FBG应变传感器也适合于测量100με的相对长度变化。这暗示在Li离子电极中典型的最小3.2%的峰值应变的精度为1/320th或更好。为检测不利化学成分变化（在Li离子电池的情况下为形成HF），可以实现50ppm的HF可检测性。检测到HF达到该水平，对于早期HF检测来说足够了，表示密封有问题或会快速使单元电极老化的其他水分侵入问题。
图9是示出光源和分析器900的各部分的框图，该光源和分析器900可以用于检测和/或解释从具有多个光学传感器的MM或SM FO电缆接收的光学信号，这些光学传感器布置在能量储存/电力系统的内部、其上或周围的位置处。光源905将输入光通过FO906传输到传感器。分析器900包括可以可选地用于分析由传感器反射并由FO910传播的光的各种分量。分析器900包括可选的扩散部件940，该扩散部件940构造成使来自FO电缆910的光准直和/或在线性变化透射结构（LVTS）930的输入表面上扩散。在从FO发生光的充分扩散的布置中，可以不使用扩散部件。LVTS930可以包括色散元件，例如棱镜或线性可变滤波器。LVTS930在其输入表面931处（从FO910和（可选地）从扩散部件940）接收光，并且使光从LVTS930的输出表面932发出。在LVTS930的输出表面932，光的波长随着沿着输出表面932的距离变化。因此，LVTS930可以用于根据光的波长对在LVTS930的输入表面931入射的光学信号进行多路分用(demultiplex)。图9示出从LVTS930发射的两个波长带（称作发射带），第一发射带具有中央波长λa并且沿着输出表面932从距基准位置（REF）为距离da处发射出。第二发射带具有中央波长λb，并且从距基准位置为距离db处发射出。位置敏感检测器（PSD）950相对于LVTS930进行定位，以使得通过LVTS930发出的光落在PSD上。例如，具有波长λa的光落在PSD950的区域a上，具有波长λb的光落在PSD950的区域b上。PSD产生沿着输出951的电信号，该电信号包括与从LVTS输出的光的位置（以及波长）有关的信息。来自PSD的输出信号由处理器960使用以检测由传感器反射的波长的漂移。
PSD可以是或者包括非像素化检测器（例如大面积光电二极管）或像素化检测器（例如光电二极管阵列或电荷耦合检测器（CCD））。像素化的一维检测器包括一排光敏元件，而二维像素化检测器包括光敏元件的n×k阵列。在使用像素化检测器的情况下，与像素对应的每个光敏元件可以产生表示在该元件上入射的光量的电输出信号。处理器960可以构造成扫描过输出信号，以判定透射光斑的位置和位置变化。已知LVTS的特性允许判定第一发射带和/或第二发射带的（多个）峰值波长和（多个）峰值波长的漂移。第一发射带或第二发射带的波长漂移可以被检测为在位置a或b处透射光斑的偏移。这可以例如通过判定PSD的特定像素或像素组的标准化差动电流信号来实现。
例如，考虑具有发射带EBA的光斑A在位置a处入射在PSD上的示例。Ia1是由光斑A在PSD中通过位置a1处的像素/像素组产生的电流，Ia2是由光斑A在PSD中通过位置a2处的像素/像素组产生的电流。具有发射带EBB的光斑B在位置b处入射在PSD上。Ib1是由光斑B在PSD中通过位置b1处的像素/像素组产生的电流，Ib2是由光斑B在PSD中通过位置b2处的像素/像素组产生的电流。
由在位置a1和a2处的像素或像素组产生的标准化差动电流信号可以写成(Ia1-Ia2)/(Ia1+Ia2)，这表示光斑A在PSD上的位置。可以从光斑A在PSD上的位置来判定EBA的波长。
类似的，由在位置b1和b2处的像素或像素组产生的标准化差动电流信号可以写成(Ib1-Ib2)/(Ib1+Ib2)，这表示光斑B在PSD上的位置。可以从光斑B在PSD上的位置来判定EBB的波长。
图10是示出包括非像素化一维PSD1050的分析器1000的各部分的框图。分析器1000包括与前述扩散部件940类似的可选的扩散部件1040。扩散部件1040构造成使来自FO电缆1010的光准直和/或在线性变化透射结构（LVTS）1030的输入表面1031上扩散。在图10所示的实施方式中，LVTS1030包括线性可变滤波器（LVF），线性可变滤波器包括沉积在PSD1050上的层以形成一体结构。图示示例中的LVTS1030包括两个反射镜，例如彼此间隔开的分布式布拉格反射器（DBR）1033、1034，以形成光学腔1035。DBR1033、1034可以例如使用高折射率对比电介质材料(highrefractive index contrast dielectric materials)（例如SiO2和TiO2）的交替层形成。一个DBR1033相对于另一DBR1034倾斜，从而形成非均匀光学腔1035。可以理解，当光倾斜地入射在输入表面上时，LVF可以可替换地使用均匀光学腔。
图10所示的PSD1050表示非像素化一维PSD，尽管还可以用二维非像素化PSD（和一维或二维像素化PSD）。PSD1050可以包括例如大面积光电二极管，该大面积光电二极管包括半导体，例如InGaAs。两个接触部1053、1054布置成沿着PSD的半导体的第一边缘和第二边缘延伸，以收集由入射在PSD1050的表面上的光所产生的电流。当光斑1099入射在PSD1050上时，最靠近光斑的接触部收集更多的电流，远离光斑的接触部收集较少量的电流。来自第一接触部1053的电流表示为I1，来自第二接触部1054的电流表示为I2。处理器1060构造成判定标准化差动电流(I1-I2)/(I1+I2)、透射光斑的位置，因此可以判定在LVTS1030的输入表面1031上入射的光的主要波长。该主要波长可以与已知波长进行对比以判定波长的漂移量。波长的漂移可以与被感测参数的变化相关。在两个发射带（产生两个空间分离的光斑）在同一时刻入射到检测器的情况下，检测器仅能够提供两个发射带的平均波长和波长漂移。如果两个发射带的波长和波长漂移需要被单独确定，则两个发射带需要在不同的时刻（时分复用）入射到检测器。
在其他实施例中，可以使用二维非像素化PSD，其中边缘接触部沿着所有四个边缘延伸。可以通过分析从四个接触部中的每一个收集的电流来确定中央反射波长的位置。图10中所示的分析器的部分可以一起封装在适当的外壳（例如TO5晶体管管座）内，如图11所示。
被感测的参数信息可以与电力系统（例如电池）的建模组合起来，以估计电池的操作变量，例如充电状态和/或健康状况。图12是示出用来确定SOC和SOH的过程的流程图。估计SOH和/或SOC可以用各种方式执行。一个实施例可以是，通过根据基本原理或者根据从特征性试验的数据驱动机器学习进行物理建模，来开发用于电池操作和测量方案的模型。电池操作模型1210包括电池状态变量（如电荷、离子浓度、电压、温度或上述各项的子集）如何根据载荷和环境因素（如电流、环境温度和压力、或这些项的某一子集）变化。电池管理模型1212表示来自电池单元中的FO传感器的感测参数1205与电池状态变量之间的关系，并且包括传感器的行为动态。来自这两个模型的信息以及被感测值可以通过状态跟踪、过滤或估计技术进行组合，以估计电池1215中的剩余电荷。通过将该电荷除以电池的期望总容量来获得对SOC的粗略估计。但是，并非所有的剩余电荷都可利用，因为这取决于载荷和环境因素以及相关BMMS的截止阈值。因此，预期未来使用的统计分布(stochastic distribution)可以用于获得剩余有用电荷1225，然后该值可以用于估计1230SOC或“可用的”SOC。
对于SOH计算可以遵循类似过程，其中电池容量估计模型1235和电池容量损失模型1240可以组合以更好地估计1245当前电池容量，电池容量估计模型1235计算当前电池容量，作为测量的已用电荷（库仑计数）和剩余可用电荷的总和，电池容量损失模型1240基于循环寿命、使用条件和存储环境表示容量从一个循环（全放电时间称作一个循环）到另一循环如何变化。注意，每个模型可以单独地用于分别从当前循环测量或前次循环测量获得容量。但是，由于传感器误差、模型不确定性和大部分实际使用循环是部分循环的事实，组合容量估计比单独估计更好。随后，未来循环寿命的统计分布1250可以用于预测1255剩余循环的数量，直到容量降到低于寿命终止阈值为止。然后SOH可以被计算1260，作为当前容量在额定容量上的分数或剩余循环在预期总循环数量的分数。SOH还可以使用通过试验或操作数据应用的机器学习技术来根据内部参数（例如电池阻抗）获得，并且将该SOH映射变换成容量或循环寿命。
其他实施例可以跳过部分建模步骤，并且可以通过使用如神经网络或其他机器学习算法的技术来得出感测值和电池状态（SOC和SOH）之间的直接关系。
本文公开的实施例涉及嵌入在能量储存/电力系统的各种部件内（例如在电池的单独单元内）的单一光纤上的的多路复用光学传感器。当用在电池应用中时，本文描述的监测和管理系统能够测量电极应变、离子浓度、内部温度、内部压力、和/或不利化学成分，上述各项中每一者都是电池的内部单元状态变量。根据一个实施例，25个传感器被多路复用并具有约100Hz的采样频率。应变测量精度对于多路复用SM FO形式为约10με，或者对于多路复用MM FO形式为100με。100με的应变测量精度足以测量Li离子电池的电极应变（该电极应变具有32000με或更高的峰值应变幅值）和单元压力，并具有用于SOC/SOH判定的足够精度。可以实现对于多路复用SM FO形式为约0.5℃和对于多路复用MM FO形式为1℃的温度测量精度。1℃的温度测量精度足以用于对热失控的早期检测并且也足以考虑模型补偿以判定SOC。在某些实施例中，监测和管理系统能够检测不良化学成分。例如，系统的多路复用SM FO形式和多路复用MM FO形式两者都能够检测50ppm的HF浓度。
如前所述，因为这些光学传感器可以在这些系统的预期寿命之上能在恶劣环境和载荷下存活并且固有地不受EMI影响，因此这些光学传感器预期不会在现场应用中由于在实际应用（例如电动车（EV））中来自很多其他高负载电子部件的干扰而遭遇敏感度降低。
由于光纤的形状因子小并且重量轻（直径100-500μm并且密度为1-1.5g/cc）以及分析器的紧凑性，监测和管理系统的体积和重量开支预期会最小化（单元内的体积开支<0.05%，总体积开支<0.1%；单元内的重量<0.05%，总重量<0.1%）。
由于薄光纤电缆的体积开支最小化，能量密度也将具有最小的影响（能量密度开支<0.05%），这由精确内部单元状态测量的优点很好地补偿，该优点包括在保守的尺寸过大方面的减少。因为信号是完全光学的，将不会干扰单元的内部电场（不同于基准电极）。如前所述，FO材料对于各种恶劣环境（包括Pb酸电池和HF）是良性且稳定的。通过谨慎选择FO进入点（例如在电极上），薄FO电缆预期不会影响单元密封。
上文详细描述的监测和管理系统的规格允许实时（在100Hz下）检测大范围的各种单元故障，从设计缺陷、制造缺陷到过分操作，上述每一项都将导致幅值远超过这些分辨极限目标的内部单元参数的突变或异常。因此，易于接近100%的诊断敏感性。不受EMI影响并且在恶劣环境中起作用而不会降低性能的能力，暗示来自这些系统的误报警将最小化，从而使达到>95%的诊断特异性成为现实。
高敏感性和特异性地精确检测单元故障的能力，暗示控制策略可以可靠地尽早脱解脱或减少对较弱/缺陷单元的需求，从而通过适应性管理使得电池组安全起作用，并且防止灾难性故障事件，例如热失控。
由于对内部单元状态变量的估计的不确定性，现在的大部分商用Li离子电池系统被保守地设计，因此仅允许使用这些电池系统存储的能量容量的10-80%。本文公开的实施例能够实现在多个变量方面进行内部单元状态测量并且实现能够高精度地（2.5%）预测剩余寿命的预测算法，从而允许降低保守的过度设计。此外，使用基于精确内部单元状态测量的算法，易于获得更精确的健康状态估计并延长单元寿命，从而更大程度地减少过大尺寸设计实践。
精确内部单元状态测量可以作出有关更快的充电循环是否不利地影响电池组中的特定单元的知情决定。这可以允许最优化充电循环，这考虑单元间的制造和健康状况变化。
本文公开的系统、设备或方法可以包括本文描述的一个或多个特征、结构、方法或其组合。例如，设备或方法可以实施为包括本文描述的一个或多个特征和/或过程。这种设备或方法不需要包括本文描述的所有特征和/或过程，而可以实施为包括提供有用结构和/或功能性的经选择的特征和/或过程。
在上文的详细描述中，针对描述的实施方式的各种方面提供数值和范围。这些值和范围应当仅作为示例对待，而不是要限制权利要求的范围。例如，本文公开的实施例可以在整个公开的数值范围上实施。此外，很多材料被认为适合于各种实施方式。这些材料应当作为示例对待，而不是要限制权利要求的范围。
Claims (10)
1.一种系统，所述系统包括：
一个或多个多模光纤电缆，所述一个或多个多模光纤电缆布置在能量储存设备的部分内或上，每个光纤电缆包括多个光学传感器，至少一个所述光学传感器构造成感测所述能量储存设备的参数，所述参数与由所述多个光学传感器中的至少一个其他光学传感器所感测的所述能量储存设备的参数不同；
光源，所述光源构造成向所述一个或多个光纤电缆提供光；
检测器，所述检测器构造成检测由所述光学传感器反射的光并且基于反射光产生电信号；和
处理器，所述处理器经联接以接收所述电信号、分析所述电信号并基于对所述电信号的分析来判定所述能量储存设备的状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光学传感器中的每一个包括构造成感测所述能量储存设备的部件的机械应变的传感器、构造成感测所述能量储存设备的单元壁压力的传感器、和构造成感测所述能量储存设备内部的化学性质的传感器当中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光学传感器包括构造成感测温度的至少一个传感器、构造成感测能量储存设备部件的机械应变的至少一个传感器、和构造成感测所述能量储存设备内部的化学性质的至少一个传感器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的系统，其中，所述多个光学传感器中的至少一个是用于补偿由另一传感器感测的所述能量储存设备的参数的基准传感器。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，多个传感器中的一个包括构造成测量所述能量储存设备的部件的应变的应变传感器，所述多个传感器中的另一传感器包括构造成测量所述部件的温度的温度传感器，其中所述温度传感器的输出用于对所述应变传感器的输出进行温度补偿。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述光学传感器中的一个或多个包括：
光纤布拉格光栅传感器；或
法布里-珀罗传感器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，所述系统还包括联接在所述光纤电缆和所述检测器之间的光学元件，所述光学元件构造成对来自所述多个传感器的光学信号进行多路分用。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中：
所述光源构造成发出在时间上分隔的光脉冲，所述光脉冲包括至少在第一时刻发射的具有第一峰值波长的第一窄波长带光脉冲和在第二时刻发射的具有第二峰值波长的第二窄波长带光脉冲；
所述多个传感器中的第一传感器基本响应于所述第一峰值波长，并且基本不响应于所述第二峰值波长；并且
第二传感器基本响应于所述第二峰值波长并且基本不响应于所述第一峰值波长。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述多个传感器包括构造成感测第一能量储存设备参数的两个第一传感器和构造成感测第二能量储存设备参数的第二传感器，其中所述两个第一传感器基本响应于第一峰值波长并且基本不响应于第二峰值波长，所述第二传感器基本响应于所述第二峰值波长并且基本不响应于所述第一峰值波长。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的系统，其中，所述光源是宽波长带光源。
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