CN110838604A - 一种基于光纤布拉格光栅的动力电池及其监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光纤布拉格光栅的动力电池及其监测系统和方法，该动力电池包括：正极、电芯、负极、光纤通管、光纤布拉格光栅和薄膜温度传感器；所述电芯位于正极和负极之间，所述光纤通管依次穿过所述正极、电芯和负极，所述光纤通管的两端分别固定于正极和负极上；所述光纤布拉格光栅置于所述光纤通管内，所述薄膜温度传感器贴附于所述光纤布拉格光栅上。本发明能够提高动力电池温度的检测精度，实现动力电池在机械滥用工况下的载荷力和应变检测，同时解决动力电池安全预警滞后的问题。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的动力电池及其监测系统和方法
技术领域
本发明涉及电池安全技术领域，特别是涉及一种基于光纤布拉格光栅的动力电池及其监测系统和方法。
背景技术
锂离子动力电池是现阶段纯电动汽车的主要能源载体，以三元锂离子动力电池为代表的锂离子电池具有能量密度高、循环性能好、无记忆性和充放电便捷的优点。但是不可否认的是锂离子动力电池在极端工况下，如碰撞、挤压、高温和过充电、过放电过程中极易出现电池起火甚至爆炸的事故。因而，在电池使用过程中对电池安全状态如电压、温度和压力的监测尤为关键，对电池异常状况的提前预警和提前采取安全措施是保障电池安全必不可少的手段。
现阶段，在电池正常使用和充放电过程中对电池安全预警主要集中在对电池电压和电池温度的监测预警方面。电池电压预警的方式最常用的就是直接监测电池模组的端电压，当发现电池模组出现异常的电压下降和异常的电压上升时即表明模组内至少有一节电池发生了断路或是过充的情况，该方法的优点是系统能够及时响应电池的故障情况，但缺点是无法精确的找到失效的电池所在的位置，这大大增加了电池系统后续的检修和维护的工作量。电池温度的预警方式通常是在电池表面贴放热电偶或温度传感片以实时监测电池表面的温度，这种监测方法的优点是监测成本较低，对电池表面温度的监测实时准确，缺点在于由于电池在径向的低导热率会使得电池表面的温升严重滞后于电池内部的温升，对电池内部实际温度的判断存在严重的误差，而且当温度传感器检测到电池快速温升时电池实际可能早已进入不可逆转的热失控状态，无法起到实时监测预警的作用。
当车辆在正常行驶或驻车停泊过程中如果遭遇不可预估的机械滥用工况时，将会对电池系统产生严重的挤压，在挤压发生的初期，由于电池本身结构尚未遭到致命性的破坏，电池此时可能不会出现起火和爆炸等状况，但随着时间的推移受损的电池将在自身电化学反应的作用下进一步破坏电池结构最终使得电池进入热失控状态使得电池系统出现燃烧起火甚至爆炸的事故。电池系统对于机械滥用工况的监测和预警仍然停留在对电池模组和电压的监测方面，由于电池系统的高容量，在遭遇机械滥用工况时电池的能量不会发生明显的变化，同时电池的荷电状态(State-of-Charge,SOC)不会发生明显变化，这导致了电池的电压在电池受损的初期不会发生明显的改变因而不能够触发电池的安全预警，同时如前文介绍的由于电池径向导热率较低的原因，从温度方面预警电池的安全存在较大的滞后。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤布拉格光栅的动力电池及其监测系统和方法，能够提高动力电池温度的检测精度，同时解决动力电池安全预警滞后的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种基于光纤布拉格光栅的动力电池，包括：正极、电芯、负极、光纤通管、光纤布拉格光栅和薄膜温度传感器；所述电芯位于正极和负极之间，所述光纤通管依次穿过所述正极、电芯和负极，所述光纤通管的两端分别固定于正极和负极上；所述光纤布拉格光栅置于所述光纤通管内，所述薄膜温度传感器贴附于所述光纤布拉格光栅上。
可选的，所述正极、电芯和负极组成的结构中间有通孔，所述通孔在惰性气体环境中采用绝缘钻孔的方式打通，所述通孔用于使所述光纤通管依次穿过所述正极、电芯和负极。
可选的，还包括卡扣，所述卡扣位于所述光纤通管的两端，用于固定所述光纤通管，防止所述光纤通管轴向运动。
可选的，所述光纤通管与正极的接触部分通过硅酮密封胶密封。
可选的，所述光纤通管与负极的接触部分通过硅酮密封胶密封。
一种基于光纤布拉格光栅动力电池的监测系统，所述系统包括所述的基于光纤布拉格光栅的动力电池，还包括光栅光纤解调仪、数据记录仪和计算机；
所述光栅光纤解调仪的输入端连接所述光纤布拉格光栅，所述数据记录仪的输入端连接所述薄膜温度传感器，所述光栅光纤解调仪和数据记录仪的输出端连接所述计算机的输入端；
所述光栅光纤解调仪用于记录所述光纤布拉格光栅的波长变化量，所述数据记录仪用于记录薄膜温度传感器的温度变化量，所述计算机用于根据所述波长变化量和温度变化量判断电池的安全状态。
一种基于光纤布拉格光栅动力电池的监测方法，所述方法应用于所述的基于光纤布拉格光栅动力电池的监测系统，包括：
获取薄膜温度传感器的温度变化量；
判断所述温度变化量是否大于第一设定阈值；
若是，则电池状态为危险；
若否，则获取光纤布拉格光栅的波长变化量，为第一波长变化量；
根据所述温度变化量计算由温度变化引起的波长变化量，为第二波长变化量；
将所述第一波长变化量减去第二波长变化量得到由机械外载荷引起的波长变化量，为第三波长变化量；
根据所述第三波长变化量得到光纤所受的机械外载荷力；
根据所述机械外载荷力得到光纤的应变；
判断所述应变是否大于第二设定阈值；
若是，则电池状态为危险；
若否，则电池状态为安全。
可选的，采用公式
Figure BDA0002283066280000031
计算第二波长变化量，其中，ΔλB为第二波长变化量，λB0为光纤光栅原始中心波长；ΔT为温度变化量，
Figure BDA0002283066280000032
为热光系数，α为热胀系数。
可选的，所述第一设定阈值为电池热失控临界温度。
可选的，所述第二设定阈值为电池机械短路临界应变。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明利用光纤布拉格光栅对温度和应变同时敏感的特性，结合光纤布拉格光栅具有小体积、低质量、灵敏度高等特点，将光纤布拉格光置入电池内部，当电池系统遭遇横向载荷时，光纤布拉格光栅能够实时输出电池的核心温度和实际应变，提高动力电池温度的检测精度，解决动力电池安全预警滞后的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例18650圆柱形锂离子动力电池的结构示意图；
图2为本发明基于光纤布拉格光栅的动力电池的监测方法流程图；
图中：1-第一顶盖、2-第二顶盖、3-垫圈、4-正极密封圈、5-安全膜片、6-正极孔板、7-光纤通管、8-外壳、9-电芯、10-负极垫片、11-负极。
具体实施方式
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于光纤布拉格光栅的动力电池及其监测系统和方法，能够提高动力电池温度的检测精度，同时解决动力电池安全预警滞后的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅的动力电池，包括：正极、电芯、负极、光纤通管、光纤布拉格光栅和薄膜温度传感器；
所述电芯位于正极和负极之间，所述正极、电芯和负极组成的结构中间有通孔，所述通孔在惰性气体环境中采用绝缘钻孔的方式打通，所述通孔用于使所述光纤通管依次穿过所述正极、电芯和负极，所述光纤通管的两端通过卡扣分别固定于正极和负极上；所述光纤通管与正极和负极的接触部分均通过硅酮密封胶密封，所述光纤布拉格光栅置于所述光纤通管内，光纤通管的作用是贯穿动力电池为光纤布拉格光栅的置入提供通道，所述薄膜温度传感器的胶接表面采用贴附的方式贴附于所述光纤布拉格光栅上。
以18650圆柱形锂离子动力电池为例，该18650圆柱形锂离子动力电池结构如图1所示，包括第一顶盖1、第二顶盖2、垫圈3、正极密封圈4、安全膜片5、正极孔板6、光纤通管7、外壳8、电芯9、负极垫片10和负极11，其内部结构与外部不连通。
第一顶盖1为凹形结构，用于固定电池正极附近内部部件，由于第一顶盖1与电池外壳8相接，外壳8与负极11为一体结构，所以第一顶盖1可以看做是负极11的一部分；第二顶盖2与电芯9的正极连接，负极11与电芯9的负极连接，电芯9采用卷绕式构造，光纤通管7从卷绕式电芯中间穿过，光纤通管7的作用是贯穿电池为光纤布拉格光栅的置入提供通道，垫圈3材料为高绝缘橡胶，其作用是隔离第一顶盖1和第二顶盖2，即隔离正负极，防止正负极间短路，正极密封圈4用以保护电芯防止电芯与空气接触，安全膜片5与正极孔板6作用是当电池内部气压过大可自动卸荷防止电池爆炸。
制作该电池时，需要在惰性气体环境中采用绝缘钻孔的方式，在电池中央依次打通第二顶盖2、安全膜片5、正极孔板6、电芯9、负极垫片10和负极11，并利用硅酮密封胶密封安全膜片5与光纤通管7间的缝隙和负极11与光纤通管7间的缝隙保证内部结构与外界的密封性，不改变电池的正负极绝缘特性。将容纳光纤布拉格光栅的光纤通管7垂直插入电池内部贯穿第二顶盖2、安全膜片5、正极孔板6、电芯9和负极垫片10，最后从负极11中穿出，光纤布拉格光栅上贴附有薄膜温度传感器，在正负极处光纤通管7的端口位置安装卡扣将光纤通管7牢固的固定在电池内，防止其轴向运动，并再次使用硅酮密封胶对光纤通管7与正极密封圈4间的空隙进行二次密封保证电池的使用性能。
此外，本发明还公开了一种基于光纤布拉格光栅动力电池的监测系统，所述系统包括基于光纤布拉格光栅的动力电池，还包括光栅光纤解调仪、数据记录仪和计算机；
所述光栅光纤解调仪的输入端连接所述光纤布拉格光栅，所述数据记录仪的输入端连接所述薄膜温度传感器，所述光栅光纤解调仪和数据记录仪的输出端连接所述计算机的输入端；
所述光栅光纤解调仪解调仪用于记录所述光纤布拉格光栅的波长变化量，所述数据记录仪用于记录薄膜温度传感器的温度变化量，所述计算机用于根据所述波长变化量和温度变化量判断电池的安全状态。
由于光纤布拉格光栅可以在一根光纤上最多刻画32处光纤光栅，因而可以使用一根光纤同时对32节电池进行同步监测，将32节电池组成电池模组，模组层面光纤布置需要预留光纤光栅输入与输出端使其能够与光纤光栅调制解调设备相接，将薄膜温度传感器贴附于光纤布拉格光栅表面，无光栅的光纤段在电池外部圆滑过渡，将32节电池单体依次串联，分别密封固定每节电池的光纤光栅的两端使其在横向机械滥用载荷下产生平面应变的情况。系统层面只需将多个模组通过串并联的方式进行组合安装即可，其电池温度、应变、受力情况的监测与模组层面一致，同时因为一根光纤可以同时监控32节电池，在系统层面基于光纤布拉格光栅的预警方法能够大大降低光纤的数量并减小系统需要处理的数据量。
此外，光纤光栅解调仪可以识别不同位置的中心波长信号，因而动力电池在远离碰撞的部分，电池遭受了横向挤压，其具体受损情况可以通过光纤光栅中心波长的位移量判断电池的应变和遭受的载荷力，通过薄膜温度传感器判断电池的核心温度，这为电池系统的故障检测和电池替换提供了有效的判断方法。
本发明还公开了一种基于光纤布拉格光栅动力电池的监测方法，所述方法应用于本发明的基于光纤布拉格光栅动力电池的监测系统，该方法步骤如图2所示，包括：
步骤101：获取薄膜温度传感器的温度变化量；
步骤102：判断所述温度变化量是否大于第一设定阈值；
步骤103：若是，则电池状态为危险；
步骤104：若否，则获取光纤布拉格光栅的波长变化量，为第一波长变化量；
步骤105：根据所述温度变化量计算由温度变化引起的波长变化量，为第二波长变化量；
步骤106：将所述第一波长变化量减去第二波长变化量得到由机械外载荷引起的波长变化量，为第三波长变化量；
步骤107：根据所述第三波长变化量得到光纤所受的机械外载荷力；
步骤108：根据所述机械外载荷力得到光纤的应变；
步骤109：判断所述应变是否大于第二设定阈值；
步骤110：若是，则电池状态为危险；
步骤111：若否，则电池状态为安全。
其中，步骤102中所述第一设定阈值为动力电池热失控临界温度T1，且不同的电池体系T1不同。
步骤104中通过光栅光纤解调仪获取光纤布拉格光栅的波长变化量。
步骤105中采用公式
Figure BDA0002283066280000071
计算第二波长变化量，其中，ΔλB为第二波长变化量，λB0为光纤光栅原始中心波长，ΔT为温度变化量，
Figure BDA0002283066280000072
为热光系数，α为热胀系数。
步骤108中采用公式
Figure BDA0002283066280000073
Figure BDA0002283066280000074
和εz＝0计算光纤的x向应变和y向应变；其中，F为机械外载荷力，L为光纤光栅长度，D为光纤直径，σx为x向应力，σy为y向应力，σz为z向应力，E为弹性模量，ν为泊松比，εx为x向应变，εy为y向应变，εz为z向应变；
步骤109中所述第二设定阈值为动力电池机械短路临界应变εlim，且不同的电池型号εlim不同。
步骤110和步骤111中x向应变和y向应变任意一个大于或等于第二设定阈值时，电池状态就为危险，x向应变和y向应变均小于第二设定阈值时，电池状态为安全。
该方法原理为：
当电池遭遇横向挤压时，在横向挤压工况下，电池整体将受到统一均布载荷作用力的作用，在本发明中，为了防止光纤光栅的轴向窜动，通过卡扣约束光纤光栅两端使其固定在电池正负极上。因而可以判定，在横向机械滥用工况下光纤光栅将受到平面应变的作用。
根据相关理论光纤光栅在均布横向载荷的作用下，光纤光栅的折射率变化在X和Y方向并不相同，并且有如式(1)和式(2)所示的不同偏振方向波长变化关系：
Figure BDA0002283066280000081
Figure BDA0002283066280000082
式中ΔλBx为横向波长变化量，ΔλBy为纵向波长变化量，Δneff为有效折射率变化量，neff为有效折射率，εz为Z向应变，因为是平面应变情况εz＝0，λB0为光纤光栅原始中心波长。
由式(1)和式(2)分析可知在平面应变情况下，光纤光栅的两个偏振方向中心波长的变化量只与折射率的变化有关。并且由实验可知，两个偏振方向的中心波长的变化量与作用力呈线性关系，因而可以从由机械载荷引起的中心波长的变化量直接测得电池所承受的载荷力。
由材料力学原理，横向均布载荷下电池内部不同方向的应力表达如式(3)和式(4)所示
Figure BDA0002283066280000083
Figure BDA0002283066280000084
式中σx为x向应力，σy为y向应力，F为机械外载荷力，L为光纤光栅长度，D为光纤直径。
因而可得光纤各向应变，如式(5)-(7)所示：
Figure BDA0002283066280000085
Figure BDA0002283066280000086
Figure BDA0002283066280000087
式中，E为弹性模量，ν为泊松比，εx为x向应变，εy为y向应变，εz为z向应变，σx为x向应力，σy为y向应力，σz为z向应力，又因为光纤光栅处于平面应变下εz＝0，所以σz＝ν(σy+σx)。
因为电池在遭受横向挤压中将会由于电化学反应的作用使得电池温度上升，进而温度效应将会作用在光纤光栅中心波长的偏移量中，温度灵敏度表达如式(8)所示，
Figure BDA0002283066280000088
式中ΔλB为温度变化引起的波长变化量，λB0为光纤光栅原始中心波长，ΔT为温度变化量，
Figure BDA0002283066280000091
为热光系数，α为热胀系数。
因为光纤光栅中心波长的偏移量与应变和温度均呈线性关系，在光纤光栅表面贴附的薄膜温度传感器会实时反馈电池核心温度，进而可在光纤光栅中心波长的变化量中减去温度的作用，求得由机械载荷引起的波长的变化量，实现对温度、载荷力和应变的解耦监测。同时受惠于光纤光栅的布置位置，基于光纤布拉格光栅检测的锂离子动力电池横向挤压安全的监测预警方法能够实时监测电池的核心温度和载荷力及应变，对危险情况进行实时预警。
本发明还公开了如下技术效果：
本发明利用光纤布拉格光栅对温度和应变同时敏感的特性，结合光纤布拉格光栅具有小体积、低质量、灵敏度高等特点，将光纤布拉格光置入电池内部，当电池系统遭遇横向载荷时，光纤布拉格光栅能够实时输出电池的核心温度和实际应变，提高动力电池温度的检测精度，实现动力电池在机械滥用工况下的载荷力和应变检测，解决动力电池安全预警滞后的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于光纤布拉格光栅的动力电池，其特征在于，包括：正极、电芯、负极、光纤通管、光纤布拉格光栅和薄膜温度传感器；所述电芯位于正极和负极之间，所述光纤通管依次穿过所述正极、电芯和负极，所述光纤通管的两端分别固定于正极和负极上；所述光纤布拉格光栅置于所述光纤通管内，所述薄膜温度传感器贴附于所述光纤布拉格光栅上。
2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的动力电池，其特征在于，所述正极、电芯和负极组成的结构中间有通孔，所述通孔在惰性气体环境中采用绝缘钻孔的方式打通，所述通孔用于使所述光纤通管依次穿过所述正极、电芯和负极。
3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的动力电池，其特征在于，还包括卡扣，所述卡扣位于所述光纤通管的两端，用于固定所述光纤通管，防止所述光纤通管轴向运动。
4.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的动力电池，其特征在于，所述光纤通管与正极的接触部分通过硅酮密封胶密封。
5.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的动力电池，其特征在于，所述光纤通管与负极的接触部分通过硅酮密封胶密封。
6.一种基于光纤布拉格光栅动力电池的监测系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1-5中任一项所述的基于光纤布拉格光栅的动力电池，还包括光栅光纤解调仪、数据记录仪和计算机；
所述光栅光纤解调仪的输入端连接所述光纤布拉格光栅，所述数据记录仪的输入端连接所述薄膜温度传感器，所述光栅光纤解调仪和数据记录仪的输出端连接所述计算机的输入端；
所述光栅光纤解调仪解调仪用于记录所述光纤布拉格光栅的波长变化量，所述数据记录仪用于记录薄膜温度传感器的温度变化量，所述计算机用于根据所述波长变化量和温度变化量判断电池的安全状态。
7.一种基于光纤布拉格光栅动力电池的监测方法，所述方法应用于权利要求6所述的基于光纤布拉格光栅动力电池的监测系统，其特征在于，包括：
获取薄膜温度传感器的温度变化量；
判断所述温度变化量是否大于第一设定阈值；
若是，则电池状态为危险；
若否，则获取光纤布拉格光栅的波长变化量，为第一波长变化量；
根据所述温度变化量计算由温度变化引起的波长变化量，为第二波长变化量；
将所述第一波长变化量减去第二波长变化量得到由机械外载荷引起的波长变化量，为第三波长变化量；
根据所述第三波长变化量得到光纤所受的机械外载荷力；
根据所述机械外载荷力得到光纤的应变；
判断所述应变是否大于第二设定阈值；
若是，则电池状态为危险；
若否，则电池状态为安全。
8.根据权利要求7所述的基于光纤布拉格光栅动力电池的监测方法，其特征在于，采用公式
Figure FDA0002283066270000021
计算第二波长变化量，其中，ΔλB为第二波长变化量，λB0为光纤光栅原始中心波长；ΔT为温度变化量，为热光系数，α为热胀系数。
9.根据权利要求7所述的基于光纤布拉格光栅动力电池的监测方法，其特征在于，所述第一设定阈值为电池热失控临界温度。
10.根据权利要求7所述的基于光纤布拉格光栅动力电池的监测方法，其特征在于，所述第二设定阈值为电池机械短路临界应变。
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