CN112067155B - 基于ofdr锂电池温度动态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于OFDR的锂电池温度动态监测方法，该方法包括：经过分布式光纤网络返回的信号光与参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；分布式光纤网络中传感光纤横向或者纵向布设于锂电池组的上下表面及侧面，或者埋设于单个锂电池包之间；采集拍频干涉信号得到参考光谱；改变传感光纤横向起始位置的应变或温度，采集拍频干涉信号得到测量光谱；对参考光谱和测量光谱处理，得到测量光和参考光的瑞利散射光谱，并计算得到各个位置的互相关峰偏离值，结合应变或者温度频移系数，得到最终的位置‑应变或者位置‑温度曲线图，记录曲线图中应变或者温度骤变位置的坐标；实时等比例绘制锂电池二维温度场，进行锂电池温度动态监测。

Description

基于OFDR锂电池温度动态监测方法

技术领域

本发明涉及温度检测领域，尤其涉及一种基于OFDR锂电池温度动态监测方法。

背景技术

随着动力电池技术的快速发展，高比能量、高比功率的锂电池，在电动汽车、玩具，电动交通工具，电子数码产品，储能等行业均有十分广泛的应用。由于锂电池通常是通过单独电池包通过串并联形成电池板作为供能装置使用，单体之间均衡性及通风性差异会引起同一工作荷载下，不同位置锂电池温度不一致，从而不利于能量的高效利用和电池板使用寿命的延长。因此，在长期使用过程中，需要对各部位锂电池温度进行温度监测。

目前锂电池温度监测通常采用热敏电阻、光栅温度传感器、数字温度传感器等传感器监测技术。上述监测方法均为点式监测，监测点数量有限且检测系统复杂，体积庞大，使用十分不便。其中部分电信号传感器极易受电磁环境干扰，造成监测误差甚至是传感器失灵。OFDR（光频域反射）分布式光纤传感技术是一种新型的温度与应变测量技术，可快速获得整个光纤沿线或光纤网络任一点的应变、温度信息，具有抗电磁干扰、绝缘性能好、耐腐蚀、监测全面、测量精度高等特点。

发明内容

针对传统温度传感器布设复杂、测量结果易受外界影响等问题，本发明提出一种基于OFDR的锂电池温度动态监测装置及方法，用于锂电池温度实时监测与超温预警。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于OFDR的锂电池温度动态监测方法，该方法包括以下步骤：

经过分布式光纤网络返回的信号光与参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；分布式光纤网络中传感光纤横向或者纵向布设于锂电池组的上下表面及侧面，或者埋设于单个锂电池包之间；

在无外界温度、应变干扰的情况下，采集拍频干涉信号得到参考光谱；

改变传感光纤横向起始位置的应变或温度，采集拍频干涉信号得到测量光谱；

对参考光谱和测量光谱进行快速傅立叶变换转换到距离域并以空间分辨率将距离域信号划分为多个窗口信号，再次经过反傅立叶变换转换到波长域，得到测量光和参考光的瑞利散射光谱，并对其进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，结合应变或者温度频移系数，得到最终的位置-应变或者位置-温度曲线图，记录曲线图中应变或者温度骤变位置的坐标；

重复上述步骤，得到其他横向、纵向布设的传感光纤始末点的横坐标；

将定位获取的传感光纤始末点位置与锂电池的边界位置进行一一对应，得到锂电池的温度场，并对锂电池的温度场进行定标；

在锂电池组工作过程中，通过动态解调算法提高系统采样速率与解调运算速率，实时等比例绘制锂电池二维温度场，进行锂电池温度动态监测。

接上述技术方案，以按压传感光纤横向起始位置或以快速制冷剂喷洒的方式改变传感光纤横向起始位置的应变或温度。

接上述技术方案，根据实际纵向布设间隙及横向采样空间分辨率，在不改变实际温度场横纵比例的前提下，进行线型插值运算以获取更加密集的监测网络，完善温度场。

接上述技术方案，在锂电池表面等间距放置多个标准温度传感器，锂电池逐渐升温过程中，利用标准温度传感器获取的温度对温度场进行修正。

接上述技术方案，当温度场中的温度超过预先设置的预警值时，发出报警信息，并将超温位置定位到锂电池中。

接上述技术方案，分布式光纤网络的布设具体包括以下步骤：

对传感光纤的尾端进行处理以消除端面反射；

在传感光纤外部套上耐温毛细套管；

布设过程中，拉伸耐温毛细套管以保证套管绷直且不脱离电池表面，并按压贴紧锂电池后以导热硅胶固定；

布设完成后进行检查，确认传感光纤能在套中自由滑动；

将完成传感光纤布设的锂电池固定。

接上述技术方案，传感光栅转弯处的弯曲半径应不小于6mm。

本发明产生的有益效果是：本发明将传感光纤沿锂电池表面横向、纵向布设形成分布式传感光纤网络，通过OFDR技术采集光纤中的瑞利散射信号，解调后得到光纤上各位置实时温度变化，形成锂电池表面二维温度分布图以直观显示表面温度情况，实现温度实时监测。与现有技术相比，本发明具有监测全面、温度分辨率高、数据刷新率高等特点，有效解决了传统手段温度传感器布设复杂、测量结果易受外界影响等问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明基于OFDR的新能源电动车锂电池温度动态监测装置；

图2为锂电池组纵向、横向布设的分布式光纤网络图；

图3为OFDR数据测量得到的锂电池上一段距离的位置-温度曲线；

图4a为OFDR数据动态解调处理后得到的锂电池表面二维温度分布图；

图4b为OFDR数据动态解调处理后得到的锂电池表面二维梯度温度分布图；

图5为本发明实施例基于OFDR的新能源电动车锂电池温度动态监测方法流程图。

图1中，线性扫频激光器1、光纤分束器2、光纤环形器3、分布式光纤网络4、光纤耦合器5、光电探测器6、数据采集卡7、计算机8和报警模块9。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例基于OFDR的新能源电动汽车锂电池温度动态监测装置，包括线性扫频激光器1，光纤分束器2，光纤环形器3，分布式光纤网络4，光纤耦合器5，光电探测器6，数据采集卡7，计算机8和报警模块9。所述线性扫频激光器1与所述光纤分束器2输入d端连接，其输出e端与所述光纤环形器3的a端口连接，其输出e端与所述光纤耦合器4输入f端口连接。所述光纤环形器3的b端口连接所述分布式光纤网络4，光环形器3的c端口连接所述光纤耦合器5输入f端口。所述光纤耦合器5输出g端口依次连接光电探测器6、数据采集卡7，计算机8和报警模块9。

线性扫频激光器1用于提供波长周期性变化的激光，光纤分束器2按比例将激光分为参考光及信号光；信号光通过所述光纤环形器3进入分布式光纤网络，并再次通过光纤环形器3返回OFDR测量系统;信号光与参考光在所述光纤耦合器5处发生拍频干涉；光电探测器5将拍频干涉信号转化为电信号；数据采集卡7用于采集电信号中的拍频干涉信号；计算机8与线性扫频激光器1、数据采集卡7及报警模块9进行数据通信，并控制线性扫频激光器1和所述数据采集卡7，该计算机8还对采集信号进行解调并绘制二维温度分布图。报警模块接受计算机传输的温度数据，并与设置预警值进行对比，对超温情况发出警告信号。

本发明实施例中，分布式光纤网络中使用的传感光纤为耐高温耐弯曲光纤，分布式光纤网络中的光纤均经过应变屏蔽处理，主要包括套上各种耐温毛细套管。

以一个大小为300*600mm锂电池组为例，布设前，先根据电池组温度监测范围、监测点数量等在表面绘制光纤布设图，然后选取合适的传感光纤，经过应变屏蔽处理后沿布设图布设。按如图2所示布设传感光纤形成分布式光纤网络。锂电池的上下表面及侧面均布设有光纤。单根光纤套上毛细套管后，按S型走向布满整个待测面，其中每路光纤间隔5mm（可以任意设定）。布设过程中，轻轻拉伸套管绷直以保证其紧贴待测表面并用导热硅胶将其固定。布设完成后，检查套管中的光纤是否能自由滑动，如能滑动则代表布设合格。可采用熔接无芯光纤、错位熔接等方法对传感光纤的尾端进行处理以消除端面反射。完成上述操作后，将锂电池以夹具固定并保证传感光纤在其上自然放置，无拉扯，从而避免外界干扰造成的锂电池移动，进而导致传感点的偏移。

下面进行锂电池温度场的构建。首先采用OFDR技术进行定位。线性扫频激光器1发出波长周期性变化的激光，激光进入光纤分束器2被分成两路光，一路为信号光，另一路为参考光，参考光直接进度光纤耦合器5输入f端口，信号光进入光纤环形器3中a端口，并通过光纤环形器输出b端口进入分布式光纤网络4，光纤上每一位置产生的瑞利散射光沿路返回到光纤环形器3输出c端口进入光纤耦合器5的输入f端口,信号光与参考光在光纤耦合器5中产生拍频干涉信号，光电探测器6将探测到的拍频干涉信号转化为电信号；数据采集卡7采集到电信号，经过计算机8进行信号解调。

由拍频干涉信号的大小与具体的物理位置的线性关系在横坐标上进行描点，得到传感光纤沿线各点位置。当前状态下，即在无外界温度、应变干扰的情况下，进行一次数据采集得到本地参考信号；利用快速制冷喷剂使得某一段横向布设光纤始末位置温度发生急剧变化，此时进行一次数据采集得到测量信号；利用宽度为Δx的窗口将测量信号与参考信号划分为多个窗口信号，Δx为测量的空间分辨率；将距离域的多个窗口信号通过非均匀快速反傅里叶变换转换到波长域，得到测量光和参考光的瑞利散射光谱，将两个瑞利散射光谱进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，通过频移系数计算应变或者温度，得到最终的位置-应变或者位置-温度曲线图。如图3所示为测量得到的锂电池上一段横向布设光纤的位置-温度曲线，图中A、B为喷洒快速制冷剂的位置，即该段光纤的始末位置。记录下这两个位置的横坐标，并重复上述步骤，得到其他横向、纵向布设光纤始末点的横坐标。

将定位获取的光纤始末点位置与锂电池的边界位置进行一一对应，此时得到的是锂电池离散温度场。根据实际纵向布设间隙5mm及横向采样空间分辨率1cm，在不改变实际温度场横纵比例的前提下，进行线型插值运算以获取更加密集的监测网络，形成更加直观形象的温度场。

完成构建后，对当前测量环境中的温度频移系数进行修正。在锂电池表面等间距放置多个标准温度传感器。锂电池温度由室温开始进行升温，如每间隔10度进行升温。在此过程中，采用标准温度传感器及本发明装置分别获取锂电池上多个相同位置的温度。以标准温度传感器的温度为横坐标（真实温度），系统采集温度为纵坐标（测量温度）进行线型拟合，对通用温度频移系统进行修正，得到当前测量环境中的标准温度频移系数。

锂电池开始工作，结合采集到的数据实时获取锂电池二维温度场。如图4a、4b所示，为某一时刻锂电池的二维温度场，包括二维温度分布图和二维梯度温度分布图。接收来自计算机输送的温度数据后，预警系统按预先设定的合理荷载的温度值对锂电池表面温度进行预警判断。

为了清楚的示意，假设设定温度阈值为90°，若锂电池上B处温度为95°，A处温度为60°。则B处超出设定阈值，A处正常。监测系统发出预警信号，并输出构建的锂电池温度场监测图B处所在位置的横纵坐标，以便在待测锂电池上快速发现异常点位置，并采取相应措施。

本发明的另一实施例中，如图5所示，基于OFDR锂电池温度动态监测方法包括以下步骤：

S1、经过分布式光纤网络返回的信号光与参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；其中，分布式光纤网络中传感光纤横向或者纵向布设于锂电池组的上下表面及侧面，或者埋设于单个电池包之间；

S2、在无外界温度、应变干扰的情况下，采集拍频干涉信号得到参考光谱；

S3、通过按压传感光纤横向起始位置的方式改变应变，采集拍频干涉信号得到测量光谱；

S4、对参考光谱和测量光谱进行快速傅立叶变换并以空间分辨率划分的窗口信号再次经过反傅立叶变换，并对窗口参考光谱与测量光谱进行互相关运算，结合应变频移系数，得到最终的位置-应变曲线图，记录曲线图中应变骤变位置的坐标；

S5、重复上述步骤，得到其他横向、纵向布设的传感光纤始末点的横坐标；

S6、将定位获取的传感光纤始末点位置与锂电池的边界位置进行一一对应，得到锂电池的温度场，并对锂电池的温度场进行定标；

S7、在锂电池组工作过程中，通过动态解调算法提高系统采样速率与解调运算速率，实时等比例绘制锂电池二维温度场，进行锂电池温度动态监测。

步骤S6中，可根据实际纵向布设间隙及横向采样空间分辨率，在不改变实际温度场横纵比例的前提下，进行线型插值运算以获取更加密集的监测网络，完善温度场。

进行温度场定标时，在锂电池表面等间距放置多个标准温度传感器，锂电池逐渐升温过程中，利用标准温度传感器获取的温度对温度场进行修正。

当温度场中的温度超过预先设置的预警值时，发出报警信息，并将超温位置定位到锂电池中。

本发明实施例中，分布式光纤网络的布设具体包括以下步骤：

1）对传感光纤的尾端进行处理以消除端面反射；

2）在传感光纤外部套上耐温毛细套管；

3）布设过程中，拉伸耐温毛细套管以保证套管绷直且不脱离电池表面，并按压贴紧锂电池后以导热硅胶固定；

4）布设完成后进行检查，确认传感光纤能在套中自由滑动；

5）将完成传感光纤布设的锂电池固定。

传感光栅在拐弯处的弯曲半径应不小于6mm，尽量减少传感光纤的损耗，并保持外观整洁。

综上，本发明将经过应变屏蔽处理的光纤沿锂电池表面横向、纵向布设形成网络，通过OFDR技术采集光纤中的瑞利散射信号，结合动态处理算法，解调处理得到光纤上各位置实时温度变化；进一步通过测量位置与锂电池实际位置之间的对应关系及对温度数据的插值处理，形成锂电池表面二维温度分布图以直观显示表面温度情况，实现温度实时监测与超温预警。与现有技术相比，本发明该测量方式具有监测全面、温度分辨率高、数据刷新率高等特点，有效解决了传统手段温度传感器布设复杂、测量结果易受外界影响等问题。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于OFDR的锂电池温度动态监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

根据电池组温度监测范围、监测点数量在锂电池表面绘制光纤布设图，然后选取合适的单根传感光纤，经过应变屏蔽处理后沿布设图布设分布式光纤网络；分布式光纤网络中传感光纤横向和纵向布设于锂电池组的上下表面及侧面，或者埋设于单个锂电池包之间；传感光纤的尾端进行处理以消除端面反射；传感光纤转弯处的弯曲半径应不小于6mm；

经过分布式光纤网络返回的信号光与参考光发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；

在无外界温度、应变干扰的情况下，采集拍频干涉信号得到参考光谱；

改变传感光纤横向起始位置的温度，采集拍频干涉信号得到测量光谱；

对参考光谱和测量光谱进行快速傅立叶变换转换到距离域并以空间分辨率将距离域信号划分为多个窗口信号，再次经过反傅立叶变换转换到波长域，得到测量光和参考光的瑞利散射光谱，并对其进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，结合温度频移系数，得到最终的位置-温度曲线图，记录曲线图中温度骤变位置的坐标；

重复上述步骤，得到其它横向和纵向布设的传感光纤始末点的横坐标；

将定位获取的传感光纤始末点位置与锂电池的边界位置进行一一对应，得到锂电池的温度场，并对锂电池的温度场进行定标；进行温度场定标时，在锂电池表面等间距放置多个标准温度传感器，锂电池逐渐升温过程中，利用标准温度传感器获取的温度对温度场进行修正；

在锂电池组工作过程中，通过动态解调算法提高系统采样速率与解调运算速率，实时等比例绘制锂电池二维温度场，进行锂电池温度动态监测；

绘制锂电池二维温度场时具体根据实际纵向布设间隙及横向采样空间分辨率，在不改变实际温度场横纵比例的前提下，进行线型插值运算以获取更加密集的监测网络，形成更加直观形象的二维温度场。

2.根据权利要求1所述的基于OFDR的锂电池温度动态监测方法，其特征在于，具体以快速制冷剂喷洒的方式改变传感光纤横向起始位置温度。

3.根据权利要求1所述的基于OFDR的锂电池温度动态监测方法，其特征在于，当温度场中的温度超过预先设置的预警值时，发出报警信息，并将超温位置定位到锂电池中。

4.根据权利要求1所述的基于OFDR的锂电池温度动态监测方法，其特征在于，分布式光纤网络的布设具体包括以下步骤：

对传感光纤的尾端进行处理以消除端面反射；

在传感光纤外部套上耐温毛细套管；

布设过程中，拉伸耐温毛细套管以保证套管绷直且不脱离电池表面，并按压贴紧锂电池后以导热硅胶固定；

布设完成后进行检查，确认传感光纤能在套中自由滑动；

将完成传感光纤布设的锂电池固定。

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