CN109870113B - 一种电池形变检测装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种电池形变检测装置，包括：激光光源、光分路器、光纤、光微位移传感器和数控模块；所述光分路器包括光入口和至少两个光出口；所述激光光源与所述光分路器的光入口连接；所述光分路器的光出口通过光纤与光微位移传感器连接，与所述光分路器的光出口连接的光纤至少包括一个空闲光纤，其余所述与光分路器的光出口连接的光纤缠绕待测电池组；所述数控模块与所述光微位移传感器连接。本发明结构简单，检测灵敏度和量程可以根据工况实际控制。

Description

一种电池形变检测装置及使用方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种电池形变检测装置及使用方法。

背景技术

锂离子电池由于其材料体系灵活、技术更新快应用于各类示范工程中，但锂离子电池使用过程中安全问题尤为重要。现有的电池监控只能对电池的电压、温度等外特性参数进行监测，根据电池制造商提供的阈值进行监控和管理。由于电池内部复杂的反应和性能衰退机制，外特性参数很难直接反映电池的安全状态及其所处的寿命阶段，无法对电池寿命周期内使用的全过程进行跟踪诊断，并提前对电池进行安全预警。

现有的中国专利申请105758432A公开了一种锂电池安全监测系统，该系统包括信号控制模块以及锂电池模块；锂电池模块包括若干个电池单元，每个电池单元均内嵌有光纤传感器。信号控制模块向锂电池模块提供原始光信号，原始光信号经过对应的电池单元的光纤传感器调制后反射回信号控制模块，信号控制模块对其接收的光信号进行解调，并根据解调得到的光信号的波长漂移度确定对应的待监测信息的数据。这些技术只能监测锂电池的信息，不能直接测量锂电池的形变，例如膨胀等，且结构复杂，不利于推广应用。

基于光纤的传感器由于本征绝缘、不受电磁环境干扰，因而在电力系统中一直有先天的优势。目前基于光纤的形变传感器一般是基于布拉格光栅或者布里渊散射，其优点是能实现准分布式/分布式检测，并且精度高，通常可达到1με，但是这类形变传感器一般量程较小，最大不超过3000με。对于目前广泛使用的电池组，尤其是软包电池组，其受热膨胀的形变量较大，甚至达到1-2％。因而该种形变传感器的量程并不能满足实际应用需要。

发明内容

为了解决现有技术中所存在的无法对电池寿命周期内使用的全过程进行跟踪诊断和安全预警的现状；以及只能监测锂电池组的信息，不能直接测量锂电池组的形变，例如膨胀等，且结构复杂，不利于推广应用的现状问题，本发明提供一种电池形变检测装置及使用方法。

本发明提出的技术方案是：

一种电池形变检测装置，包括：激光光源、光分路器、光纤、光微位移传感器和数控模块；

所述光分路器包括光入口和至少两个光出口；

所述激光光源与所述光分路器的光入口连接；

所述光分路器的光出口通过光纤与光微位移传感器连接，与所述光分路器的光出口连接的光纤至少包括一个空闲光纤，其余所述与光分路器的光出口连接的光纤缠绕待测电池组；

所述数控模块与所述光微位移传感器连接。

优选地，在所述光分路器的光出口和所述待测电池组之间设置有固定物；

所述缠绕待测电池组光纤与所述光出口连接的一端为固定端，所述固定端通过所述固定物固定；

另一端为自由端，所述自由端与光微位移传感器连接。

优选地，所述光微位移传感器包括：陶瓷头和面阵CCD；

所述陶瓷头用于包裹连接所述光纤的自由端，并且所述陶瓷头靠近所述面阵CCD端的端面与所述光纤的自由端齐平，与所述面阵CCD非接触。

优选地，所述数控模块与所述光微位移传感器连接，包括，

所述数控模块与所述光微位移传感器面阵CCD连接，用于接收光斑大小和光强信息。

优选地，所述数控模块包括：数据处理子模块和预警子模块；

所述数据处理子模块，用于处理所述面阵CCD接收到光斑大小和光强信息；

所述预警子模块，用于预设报警阀值，当所述待测电池组的周长形变量大于所述预设报警阀值时，发出报警信号；

否则，不发出报警信号。

优选地，所述光纤以紧绷的方式连接。

优选地，所述光纤缠绕待测电池组的匝数由当前光微位移传感器的检测精度决定。

优选地，所述光纤缠绕待测电池组的匝数由检测精度决定，包括，

若所述当前光微位移传感器的检测精度大于所述应用所需的位移检测精度，则所述光纤缠绕所述待测电池组1周；

否则，按下式计算所述缠绕匝数：

n>a/b

n*b>a

式中，a：表示当前光微位移传感器的检测精度；b：表示应用所需的位移检测精度；n：表示缠绕匝数，取最接近的整数。

本发明的另一目的在于提出一种电池形变检测装置的使用方法，包括：

将上述的电池形变检测装置的光纤紧固在待测电池组上，开启激光光源，依据当前光微位移传感器的检测精度通过数控模块记录此时出射光斑大小、中心光强和缠绕匝数；

待测电池受热膨胀后，通过所述数控模块记录出射光斑大小和中心光强；

所述数控模块根据光分路器空闲光纤照射出射光斑大小、中心光强对所述待测电池受热膨胀前后记录到光斑大小和中心光强进行矫正，并根据矫正后的出射光斑的大小和中心光强的变化以及缠绕匝数计算电池形变量。

优选地，所述数控模块还用于当所述电池形变量超过预先设定的报警阈值时报警。

优选地，所述开启激光光源，依据前光微位移传感器的检测精度通过数控模块记录此时出射光斑大小、中心光强和缠绕匝数，包括，

若当前光微位移传感器的检测精度小于或等于应用所需的位移检测精度，则按下式计算所述缠绕匝数：

n>a/b

n*b>a

式中，a：表示当前光微位移传感器的检测精度；b：表示应用所需的位移检测精度；n：表示缠绕匝数，取最接近的整数。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的一种电池形变检测装置及使用方法，其检测装置结构简单，且形变检测灵敏度和量程可以通过改变光纤缠绕匝数进行调整，可以根据工况实际决定，所用到的光分路器可等功率分配其出射光，避免光功率波动对检测影响。

本发明提供的一种电池形变检测装置及使用方法，使工作人员在电池寿命周期内使用的全过程对电池组进行跟踪诊断，当电池组形变结果高于预设的安全预警阀值时，可以警示工作人员进行后续处理工作。

附图说明

图1为本发明的微位移检测装置的结构原理图；

图2为本发明的多路锂电池形变检测原理图；

图3为本发明的微位移检测装置中光微位移传感器结构示意图；

其中，1-激光光源；2-光分路器；3-测试光纤；4-微位移传感器；5-数控模块；41-瓷头；42-面阵CCD。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明具体实施例中的基于光纤微位移传感的多路锂电池形变检测装置，结构简单，能够同时对多个电池组的形变进行监测，根据工况来实际控制检测灵敏度和量程，计算电池组形变结果。可以使工作人员在电池寿命周期内使用的全过程对电池组进行跟踪诊断，当电池组形变结果高于预设的安全预警阀值时，可以警示工作人员进行后续处理工作。

本发明的原理是：将光纤缠绕在待测锂电池组上，一端与所述光分路器的光出口连接，并通过固定物在接近所述待测电池组的位置固定，另一端自由，且连接到微位移检测装置；将锂电池的形变转换为光纤自由端端面的微位移；通过检测光纤出光的光斑大小和中心光强联合获得光纤端面微位移的大小，从而获得锂电池的形变状况。

本发明的检测装置如图1所示的器件包括：激光光源1，光分路器2，测试光纤3、光位移传感器4和数控模块5。

激光光源1，输出恒定功率输出光，可采用红外波段半导体激光器，如通讯波段1310nm半导体激光器，也可配合面阵CCD响应波长选取对应波段的激光器。

光分路器2，接收所述激光光源的输出光作为入射光，经过等功率分配后输出分路出射光。所述光分路器包括光入口和至少两个光出口，所述光分路器的光出口通过光纤与光微位移传感器连接，与所述光分路器的光出口连接的光纤至少包括一个空闲光纤，其余所述与光分路器的光出口连接的光纤缠绕待测电池组；具体地，可根据待监测的锂电池组数量选择分路数量，一般为4路，8路或者16路，图1里的具体实施例的光分路器以4路进行说明；光分路器2的光入口通过光纤与激光光源1连接。

测试光纤3，为单模光纤。测试光纤3缠绕在待测锂电池组上，可以根据检测精度决定测试光纤3缠绕待测电池组的匝数。测试光纤3一端与光分路器2的光出口连接，并在接近待测电池组的位置以胶粘等方式固定在固定物上，该端称为固定端；测试光纤3的另一端与微位移传感器4连接，称为自由端。自固定端起，测试光纤紧绷式缠绕待测电池组，且自由端连接光微位移传感器4也是紧绷状态。

光微位移传感器4，光微位移传感器由陶瓷头41与面阵CCD组成的结构示意图如图3所示，陶瓷头41包裹在所述测试光纤2自由端的尾部，二者端面平齐；所述光纤出射光从光纤自由端端面出射照射到所述面阵CCD上形成光斑；利用面阵CCD的响应测得所述光斑大小和光斑中心光强变化即可检测电池的形变大小。

数控模块5与光微位移传感器4连接，处理由CCD42接收的光斑大小和光强信息，并联立计算得到光纤自由端的与CCD42的距离d，从而得到待测锂电池组的膨胀形变；

所述数控模块5与所述光微位移传感器4连接，包括，

所述数控模块与所述光微位移传感器面阵CCD连接，用于接收光斑大小和光强信息。

数控模块5包括：数据处理子模块和预警子模块。

所述数据处理子模块包括，用于处理所述面阵CCD接收到光斑大小和光强信息；

所述预警子模块，用于预设报警阀值，当所述待测电池组的周长形变量大于所述预设报警阀值时，发出报警信号；否则，不发出报警信号。

所述光分路器的光出口通过光纤与光微位移传感器连接，与所述光分路器的光出口连接的光纤至少包括一个空闲光纤，其余所述与光分路器的光出口连接的光纤缠绕待测电池组；

本发明的另一目的在于提出一种电池形变检测装置的使用方法：

一种电池形变检测装置的使用方法，包括：

将电池形变检测装置的光纤紧固在待测电池组上，并记录缠绕匝数；

开启激光光源，通过数控模块记录此时出射光斑大小、中心光强和缠绕匝数；

待测电池受热膨胀后，通过所述数控模块记录出射光斑大小和中心光强；

所述数控模块根据分光器空闲光纤照射出射光斑大小、中心光强对所述待测电池受热膨胀前后记录到光斑大小和中心光强进行矫正，并根据矫正后的出射光斑的大小和中心光强的变化以及缠绕匝数计算电池形变量。

所述数控模块还用于当所述电池形变量超过预先设定的报警阈值时报警。

所述开启激光光源，通过数控模块记录此时出射光斑大小和中心光强和缠绕匝数，包括，

若当前光微位移传感器的检测精度小于或等于应用所需的位移检测精度，则按下式计算所述缠绕匝数：

n>a/b

n*b>a

式中，a：表示当前光微位移传感器的检测精度；b：表示应用所需的位移检测精度；n：表示缠绕匝数，取最接近的整数。

具体地，光纤微位移传感的多路锂电池形变检测的方法需要以如图2所示的原理图为基础，激光从光纤中出射以后，将有一定的发散角θ_N，当光纤自由端的与接受面的距离d越大，光斑越大，所以可知光纤出射光斑的大小与光纤端面到接受面的距离d有关；同时，由于激光出射的光斑光强为高斯分布，当距离增大、光斑增大时，其中心部的光强也会随之减弱。通过这两个参数联立，可以计算出出光的光纤端面与接受面之间的距离d，从而实现光微位移检测。

利用到的几何关系：

R＝r+dtgθ_N；

而光斑中心光功率密度

P＝I₀/R²；

由此可以通过CCD面和光控模块测得P和R，从而计算出d。

膨胀后的待测电池组的周长形变x，按下式计算：

x＝d/n；

式中，n为待测电池组的缠绕匝数，I₀激光器出射光强，r为光纤芯层的半径。

具体的，如图1所示的具体实施例，激光光源1发出的激光，通过光分路器2分为功率基本相等的4路后从固定端进入缠绕在待测电池组上的检测光纤3，再从自由端出射进入光微位移传感器4。待测锂电池组受热膨胀后，会导致光微位移传感器4中光纤自由端与CCD面距离增大，导致出射光斑大小增大，中心光强也随之减弱。通过出射光斑的大小和中心光强的变化可以计算出电池组膨胀形变的大小。

实际上，激光出射光斑的光强分布为高斯分布，光强分布情况比较复杂，公式更为复杂，所以在形变检测装出厂前，通过标定法给出出光面与CCD的距离d、光斑中心光功率密度P和光斑半径R的关系曲线存储于所述数控模块5，而不是直接套用公式。

由于传感器灵敏度正比于光纤缠绕匝数n，可以根据实际需求对电池进行不同匝数的缠绕。假设当前光微位移传感器的检测精度为a，应用所需的位移检测精度为b(其中a>b，否则缠绕1周即可)，那么要使n*b>a，则n>a/b，则n取最接近的整数。

当待测锂电池组受热发生膨胀，由于固定端固定，测试光纤3的自由端将产生n*x的位移(由于电池热膨胀产生的形变量远大于光纤本身的形变量，此处忽略光纤本身的形变)，光纤自由端出射的光斑大小和中心光强也随之改变。

当需要检测的电池组数小于配置的光分路器2的出光路数时(例如需要测试3组电池的形变，而使用的是4路光分路器)，可以使用一路空闲的光路直接接到微位移传感器4上，用于归一化激光器的光强，以消除激光器1出光功率波动对检测带来的影响。CCD面上检测到的光斑中心光强不仅受光纤出光端面与CCD的距离影响而且还受激光器本身的出光功率波动的影响，而后者的影响对光分路器2所有支路的输出光的影响是相同的。因此，将一路空闲光路不缠绕待测锂电池组直接接到光微位移传感器4上，由于形变量恒定为0，其光强仅反映激光器本身的功率波动，因此，以此光强归一化其他支路的光强，即可以消除激光器1出光功率波动对检测带来的影响。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种电池形变检测装置，其特征在于，包括：激光光源、光分路器、光纤、光微位移传感器和数控模块；

所述光分路器包括光入口和至少两个光出口；

所述激光光源与所述光分路器的光入口连接；

所述光分路器的光出口通过光纤与光微位移传感器连接，与所述光分路器的光出口连接的光纤至少包括一个空闲光纤，其余所述与光分路器的光出口连接的光纤缠绕待测电池组；

所述数控模块与所述光微位移传感器连接；

在所述光分路器的光出口和所述待测电池组之间设置有固定物；

所述缠绕待测电池组光纤与所述光出口连接的一端为固定端，所述固定端通过所述固定物固定；

另一端为自由端，所述自由端与光微位移传感器连接；

所述光微位移传感器包括：陶瓷头和面阵CCD；

所述陶瓷头用于包裹连接所述光纤的自由端，并且所述陶瓷头靠近所述面阵CCD端的端面与所述光纤的自由端齐平，与所述面阵CCD非接触；

所述数控模块与所述光微位移传感器连接，包括，

所述数控模块与所述光微位移传感器面阵CCD连接，用于接收光斑大小和光强信息；

所述数控模块包括：数据处理子模块和预警子模块；

所述数据处理子模块，用于处理所述面阵CCD接收到光斑大小和光强信息；所述预警子模块，用于预设报警阀值，当所述待测电池组的周长形变量大于所述预设报警阀值时，发出报警信号；

否则，不发出报警信号。

2.如权利要求1所述的电池形变检测装置，其特征在于，所述光纤以紧绷的方式连接。

3.如权利要求1所述的电池形变检测装置，其特征在于，所述光纤缠绕待测电池组的匝数由当前光微位移传感器的检测精度决定。

4.如权利要求3所述的电池形变检测装置，其特征在于，所述光纤缠绕待测电池组的匝数由检测精度决定，包括，

若所述当前光微位移传感器的检测精度大于应用所需的位移检测精度，则所述光纤缠绕所述待测电池组1周；

否则，按下式计算所述缠绕匝数：

n>a/b

n*b>a

式中，a：表示当前光微位移传感器的检测精度；b：表示应用所需的位移检测精度；n：表示缠绕匝数，取最接近的整数。

5.一种电池形变检测装置的使用方法，其特征在于，包括：

将如权1-4任一所述的电池形变检测装置的光纤紧固在待测电池组上，开启激光光源，依据当前光微位移传感器的检测精度通过数控模块记录此时出射光斑大小、中心光强和缠绕匝数；

待测电池受热膨胀后，通过所述数控模块记录出射光斑大小和中心光强；

所述数控模块根据光分路器空闲光纤照射出射光斑大小、中心光强对所述待测电池受热膨胀前后记录到光斑大小和中心光强进行矫正，并根据矫正后的出射光斑的大小和中心光强的变化以及缠绕匝数计算电池形变量。

6.如权利要求5所述的电池形变检测装置的使用方法，其特征在于，所述数控模块还用于当所述电池形变量超过预先设定的报警阈值时报警。

7.如权利要求5所述的电池形变检测装置的使用方法，其特征在于，所述开启激光光源，依据前光微位移传感器的检测精度通过数控模块记录此时出射光斑大小、中心光强和缠绕匝数，包括，

若当前光微位移传感器的检测精度小于或等于应用所需的位移检测精度，则按下式计算所述缠绕匝数：

n>a/b

n*b>a

式中，a：表示当前光微位移传感器的检测精度；b：表示应用所需的位移检测精度；n：表示缠绕匝数，取最接近的整数。

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