CN112179519A - 一种电动汽车电池温度监测报警系统及其使用方法 - Google Patents

一种电动汽车电池温度监测报警系统及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车电池温度监测报警系统，包括光源、第一耦合器、同波长光纤光栅传感器阵列、密集波分复用器、光电探测器、监测及报警电路、第二耦合器、窄带滤波器。通过本发明的技术方案，能够同时对电池的工作温度进行相对变化量以及绝对值进行监测，达到报警的目的；实现电池组高密度点温度健康监测以及降低测温系统的复杂程度，降低成本，便于商业化。

Description

一种电动汽车电池温度监测报警系统及其使用方法
技术领域
本发明属于光纤传感测温领域以及电池温度监测报警技术领域，尤其涉及一种用于电动汽车电池温度监测报警系统及其使用方法。
背景技术
近年来国家大力提倡环保，新能源汽车逐步推入市场，覆盖领域包括城市公交、出租车、电瓶车、小汽车等代步工具。而电池作为电车的核心其安全性受到大家的广泛关注，对电池进行健康监测是电车出厂前必须完善的工作。电车电池组由多个电池串联叠置组成。尽管汽车能源系统将电池组看作单个高压电池，每次都对整个电池组进行充电和放电，但电池控制系统必须独立考虑每个电池的情况。因为在充放电过程中，如果单体电池会发生温度异常，接着会引起整个电池组的温度异常并最终形成电池组故障。此外电池失水以及硫化也会导致温度异常。那么针对环境温度的不确定性，需要对单体电池进行温度变化的监测，及时排除隐患，降低事故发生率。例如在环境温度是-40℃时，若某单体电池温度升温至10℃，认为是温度异常，需要维修检测，同样，若环境温度是25℃、70℃，单体电池温度变化到75℃、120℃，也认为电池发生故障。正常情况下，电车电池的工作环境温度是(-40-70)℃，另外，鉴于电池高温工作的危险度较高，厂商会有对绝对温度限定的要求，比如不能超出80℃。
目前针对电动汽车电池测温技术，除了传统的红外温度传感器、数字温度传感器、热电偶等方式外，近几年有报道提出利用光纤光栅进行测温及健康监测，机理主要包括拉曼散射原理、光时域反射(OTDR)以及分布式光纤光栅测温等。传统的测温方法只能对电池整个箱体进行测温，无法实现对内部单个电池的温度监测，当单个电池温度过高进而导致整个箱体的温度大于阈值时才会发生报警信号，有较大的安全隐患；而上述用光纤进行的温度监测是将光纤绕在单体电池上，进行温度预测，其中采用OTDR技术进行解调的测温系统成本较高，相邻传感点的距离不能太短，无法做到高密度的传感；而采用波分复用方式其传感器复用的数量有限，而且其传感点数量越多则解调系统越复杂越昂贵。电池组在实际使用中，有一种温度故障是具备广泛性的，以电动车为例，其中使用了N个电池，则应该有N个传感器，覆盖每一个电池的监测，但其中一个电池，比如第A个电池由于故障而温度过高，则第A个传感器输出异常，对于车主或者远程监控而言，可以不知道具体是哪一个电池出现故障，只需要报警及时准确，提示此车辆中某个电池故障需要维修，而要判断具体是第A个电池出现故障的工作由修理厂来使用更加精密昂贵的设备完成。
发明内容
为实现电池组高密度点温度健康监测以及降低测温系统的复杂程度，降低成本，便于商业化，本发明提出一种低成本、结构简单、多密度的相对及绝对温度变化监测报警系统。本发明的具体技术方案如下：
一种电动汽车电池温度监测报警系统，其特征在于，包括光源、第一耦合器、同波长光纤光栅传感器阵列、密集波分复用器、光电探测器、监测及报警电路、第二耦合器、窄带滤波器，其中，
所述光源连接到所述第一耦合器的第一端口；
所述第一耦合器的第二端口与所述密集波分复用器连接，所述密集波分复用器、所述光电探测器、所述监测及报警电路依次连接；
所述第一耦合器的第三端口与所述第二耦合器的第一端口连接，所述第二耦合器的第二端口与所述光电探测器的输入端连接，所述第二耦合器的第三端口与所述窄带滤波器的输入端连接；
所述第一耦合器的第四端口与所述同波长光纤光栅传感器阵列连接；
所述光源、所述第一耦合器、所述同波长光纤光栅传感器阵列、所述密集波分复用器、所述光电探测器和所述监测及报警电路组成绝对温度监测模块；
所述光源、第一耦合器、同波长光纤光栅传感器阵列、第二耦合器、窄带滤波器、所述光电探测器和所述监测及报警电路组成相对温度监测模块；
所述同波长光纤光栅传感器阵列与所述窄带滤波器的热光系数相同，热膨胀系数相同；所述同波长光纤光栅传感器阵列的中心波长λB与所述窄带滤波器的中心波长λB ′的关系为λB′＝λB+Δλ，其中Δλ＝(ε+ζ)λB·ΔT，ε是光纤光栅传感器的热膨胀系数，ζ是光纤光栅传感器的热光系数，ΔT是设定的温度变化阈值；
所述光源的工作波长范围包含所述同波长光纤光栅传感器阵列、所述窄带滤波器以及所述密集波分复用器的工作波长范围；所述光电探测器的工作波长范围包含所述同波长光纤光栅传感器阵列、所述窄带滤波器以及所述密集波分复用器的工作波长范围；
所述密集波分复用器的截至波长等于电池最高工作温度下所述同波长光纤光栅传感器阵列的反射光波长。
一种电动汽车电池温度监测报警系统的使用方法，其特征在于，电池绝对温度的监测方法为：所述光源发出的光经过所述第一耦合器后进入所述同波长光纤光栅传感阵列，所述同波长光纤光栅传感阵列的中心反射光经过所述第一耦合器后进入所述密集波分复用器，电池温度正常，所述同波长光纤光栅传感器阵列的中心反射光波长全部落在所述密集波分复用器的截止波长内，所述探测器没有光强信号响应；电池温度异常达到设定的温度上限，对应的光纤光栅传感器的中心反射光波长工作在所述密集波分复用器的工作波长范围内，所述光电探测器有光强信号响应，并传递给所述监测及报警电路进行报警处理；
电池相对温度的监测方法为：所述光源发出的光经过所述第一耦合器后进入所述同波长光纤光栅传感阵列，所述同波长光纤光栅传感阵列中的所有光纤光栅传感器的中心反射光谱相同，叠加后的中心反射光谱经过所述第一耦合器后进入所述窄带滤波器，电池温度正常，则所述同波长光纤光栅传感阵列和所述窄带滤波器的中心波长随温度正常变化；电池温度异常达到设定的温度变化阈值，对应的光纤光栅传感器的中心反射光波长值与所述窄带滤波器的中心波长值一致，所述光电探测器会检测到经过所述第二耦合器的所述窄带滤波器的反射光信号，并传递给所述监测及报警电路进行报警处理。
所述窄带滤波器为单个光纤光栅。
本发明的有益效果在于：
1.本发明的电动汽车电池温度监测报警系统，只需要监测探测器是否有光强响应即可，降低解调系统复杂度，解决了温度解调系统成本高、结构复杂的难题，扩展了其使用范围，具有普适性。
2.本发明的电动汽车电池温度监测报警系统，扩大了传感光栅复用容量，可实现单体电池多密度点温度监测。
3.本发明的电动汽车电池温度监测报警系统，可以同时进行相对温度和绝对温度的监测。
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，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，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，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
图1是本发明的电动汽车电池温度监测报警系统原理图；
图2是本发明的系统设计流程图；
图3(a)为环境温度25℃，同波长光纤光栅传感器阵列温度25℃，温度异常的电池对应的光纤光栅传感器温度75℃，窄带滤波器温度25℃，系统光路光谱变化示意图；
图3(b)为环境温度-40℃，同波长光纤光栅传感器阵列温度-40℃，温度异常的电池对应的光纤光栅传感器温度10℃，窄带滤波器温度-40℃，系统光路光谱变化示意图；
图3(c)为环境温度70℃，同波长光纤光栅传感器阵列温度70℃，温度异常的电池对应的光纤光栅传感器温度120℃，窄带滤波器温度70℃，系统光路光谱变化示意图。
图4(a)为环境温度25℃，同波长光纤光栅传感器阵列温度25℃，温度异常的电池对应的光纤光栅传感器温度50℃的绝对温度，系统光路光谱图；
图4(b)为环境温度25℃，同波长光纤光栅传感器阵列温度25℃，温度异常的电池对应的光纤光栅传感器温度80℃的绝对温度，系统光路光谱图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明可以同时对电池的工作温度进行相对变化量以及绝对值进行监测，达到报警的目的。首先介绍光纤光栅温度传感理论：
对于均匀光纤光栅，中心波长λB的表达式为：
λB＝2neffΛ (1)式中，neff是光纤光栅的纤芯有效折射率，Λ是光栅周期；
对光纤光栅中心波长的表达式进行微分，得到：
ΔλB＝2ΛΔneff+2neffΔΛ (2)
两边分别除以λB得
其中，ΔλB为中心波长变化量，Δneff为纤芯有效折射率变化量，ΔΛ为光纤光栅周期变化量，由上式可知，如果光纤光栅的温度和轴向应力发生变化，则光栅的栅距和折射率会相应的产生变化，从而使光纤光栅中心波长发生变化，最终导致光纤光栅的反射谱发生变化。假设光纤光栅轴向应力为0，只受温度场影响，那么光纤光栅会产生热膨胀效应和热光效应，热膨胀效应导致光栅周期发生变化:
ΔΛ＝ε·Λ·ΔT (4)
热光效应导致纤芯有效折射率发生变化:
Δneff＝ζ·neff·ΔT (5)
这两种效应都会改变光纤光栅的中心波长λB。式中，ε是光纤光栅的热膨胀系数，ζ是光纤光栅的热光系数，ΔT是温度变化量，一般取ε＝5.5×10-7k-1，ζ＝6.67×10-6k-1。
结合以上表达式可得：
Figure BDA0002658063220000052
设K＝ε+ζ,ΔλB＝(ε+ζ)·λB·ΔT,当前波长与温度的关系表示为λs＝KΔT+λB。由上式可知，光纤光栅的波长变化量与温度变化量之间呈线性关系，而且如果两根光纤光栅的热膨胀系数和热光系数相同，则相同的温度变化会产生等量的波长漂移。也就是说，将这两根光栅置于相同的环境下，当温度改变时候，二者的中心波长差一定。
如图1-2所示，一种电动汽车电池温度监测报警系统，包括光源、第一耦合器、同波长光纤光栅传感器阵列、密集波分复用器、光电探测器、监测及报警电路、第二耦合器、窄带滤波器，其中
光源连接到第一耦合器的第一端口；
第一耦合器的第二端口与密集波分复用器连接，密集波分复用器、光电探测器、监测及报警电路依次连接；
第一耦合器的第三端口与第二耦合器的第一端口连接，第二耦合器的第二端口与光电探测器的输入端连接，第二耦合器的第三端口与窄带滤波器的输入端连接；
第一耦合器的第四端口与同波长光纤光栅传感器阵列连接；
所述光源、所述第一耦合器、所述同波长光纤光栅传感器阵列、所述密集波分复用器、所述光电探测器和所述监测及报警电路组成绝对温度监测模块；
所述光源、第一耦合器、同波长光纤光栅传感器阵列、第二耦合器、窄带滤波器、所述光电探测器和所述监测及报警电路组成相对温度监测模块；
同波长光纤光栅传感器阵列与窄带滤波器的热光系数相同，热膨胀系数相同；同波长光纤光栅传感器阵列的中心波长λB与窄带滤波器的中心波长λB ′的关系为λB′＝λB+Δλ，其中Δλ＝(ε+ζ)λB·ΔT，ε是光纤光栅传感器的热膨胀系数，ζ是光纤光栅传感器的热光系数，ΔT是设定的温度变化阈值；
光源的工作波长范围包含同波长光纤光栅传感器阵列、窄带滤波器以及密集波分复用器的工作波长范围；光电探测器的工作波长范围包含同波长光纤光栅传感器阵列、窄带滤波器以及密集波分复用器的工作波长范围；
密集波分复用器的截至波长等于电池最高工作温度下同波长光纤光栅传感器阵列的反射光波长。
一种电动汽车电池温度监测报警系统的使用方法，其中，电池绝对温度的监测方法为：所述光源发出的光经过所述第一耦合器后进入所述同波长光纤光栅传感阵列，所述同波长光纤光栅传感阵列的中心反射光经过所述第一耦合器后进入所述密集波分复用器，电池温度正常，所述同波长光纤光栅传感器阵列的中心反射光波长全部落在所述密集波分复用器的截止波长内，所述探测器没有光强信号响应；电池温度异常达到设定的温度上限，对应的光纤光栅传感器的中心反射光波长工作在所述密集波分复用器的工作波长范围内，所述光电探测器有光强信号响应，并传递给所述监测及报警电路进行报警处理；
电池相对温度的监测方法为：所述光源发出的光经过所述第一耦合器后进入所述同波长光纤光栅传感阵列，所述同波长光纤光栅传感阵列中的所有光纤光栅传感器的中心反射光谱相同，叠加后的中心反射光谱经过所述第一耦合器后进入所述窄带滤波器，电池温度正常，则所述同波长光纤光栅传感阵列和所述窄带滤波器的中心波长随温度正常变化；电池温度异常达到设定的温度变化阈值，对应的光纤光栅传感器的中心反射光波长值与所述窄带滤波器的中心波长值一致，所述光电探测器会检测到经过所述第二耦合器的所述窄带滤波器的反射光信号，并传递给所述监测及报警电路进行报警处理。
窄带滤波器为单个光纤光栅。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。
实施例1
由上述的理论可知同波长光纤光栅传感器阵列和窄带滤波器的材料选择应保持一样，同波长光纤光栅传感器阵列窄带滤波器均采用普通的单模光纤，温度灵敏度系数为K＝10pm/℃，如果在25℃时，刻写的光纤光栅传感器阵列中心波长值为λB＝1.5370μm，那么当温度异常值设定为50℃时，传感光栅阵列中相应位置的单个光栅的反射波长发生漂移为λs＝KΔT+λB＝1.5375μm，所以根据本申请的设计思路窄带滤波器的中心波长应设置为λB′＝1.5375μm。
由仿真软件matlab进行光纤光栅反射谱仿真，示意图见图3(a)-(c)。假设传感光栅参数设置为：有效折射率neff＝1.45，L＝20mm，折射率调制深度Δn＝2*10-5，栅格周期Λ＝0.53；同波长光纤光栅传感器阵列和窄带滤波器在相同环境温度下，中心波长应差0.5nm,根据光栅刻写的原理可知将栅格周期改刻成0.53002即可，其余参数不变。
根据上述仿真分析，可以确定同波长光纤光栅传感器阵列的中心波长应为λB＝1.5370μm，窄带滤波器波长应为λB′＝1.5376μm，二者的3dB带宽应越小越好，目前的水平大部分可以做到0.1nm，为了防止串扰，边模抑制比大于10dB，由仿真结果图可见当调制深度为2*10-5量级时，边模抑制比为14，满足要求。
对传感光栅进行温度标定以后，确定绝对温度到达80℃时对应的中心波长，该波长值作为密集波分复用器的截止波长；另外密集波分复用器的过渡带越陡越好，如图4(a)-(b)可见，标定中心波长λB＝1.5370μm时对应温度是25℃，所以80℃时，中心波长会飘移至1.5376μm，所以滤光片的截止波长应设定为1.5376μm。
系统的工作波长分布在光源及光电探测器的工作范围内；由于报警系统实时性的要求，光电探测器的响应时间应为ns级；根据光路需求耦合器选择1*2和1*3两种类型。
本申请针对现有测温系统的缺点，对目前的光纤传感测温系统进行简化设计，提出了用于电动汽车电池测温的全同光纤光栅监测报警系统，主要特点是整个系统结构简单、成本低廉、可实现多密度点的温度监测和报警，实时进行温度的相对变化量以及绝对阈值的监测，可以用于电池组中单体电池的高密度、高数量温度健康监测，有效的扩大了该系统的使用范围。本申请的技术方案也覆盖工作原理类似的应变报警系统中。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电动汽车电池温度监测报警系统，其特征在于，包括光源、第一耦合器、同波长光纤光栅传感器阵列、密集波分复用器、光电探测器、监测及报警电路、第二耦合器、窄带滤波器，其中，
所述光源连接到所述第一耦合器的第一端口；
所述第一耦合器的第二端口与所述密集波分复用器连接，所述密集波分复用器、所述光电探测器、所述监测及报警电路依次连接；
所述第一耦合器的第三端口与所述第二耦合器的第一端口连接，所述第二耦合器的第二端口与所述光电探测器的输入端连接，所述第二耦合器的第三端口与所述窄带滤波器的输入端连接；
所述第一耦合器的第四端口与所述同波长光纤光栅传感器阵列连接；
所述光源、所述第一耦合器、所述同波长光纤光栅传感器阵列、所述密集波分复用器、所述光电探测器和所述监测及报警电路组成绝对温度监测模块；
所述光源、第一耦合器、同波长光纤光栅传感器阵列、第二耦合器、窄带滤波器、所述光电探测器和所述监测及报警电路组成相对温度监测模块；
所述同波长光纤光栅传感器阵列与所述窄带滤波器的热光系数相同，热膨胀系数相同；所述同波长光纤光栅传感器阵列的中心波长λB与所述窄带滤波器的中心波长λB′的关系为λB′＝λB+Δλ，其中Δλ＝(ε+ζ)λB·ΔT，ε是光纤光栅传感器的热膨胀系数，ζ是光纤光栅传感器的热光系数，ΔT是设定的温度变化阈值；
所述光源的工作波长范围包含所述同波长光纤光栅传感器阵列、所述窄带滤波器以及所述密集波分复用器的工作波长范围；所述光电探测器的工作波长范围包含所述同波长光纤光栅传感器阵列、所述窄带滤波器以及所述密集波分复用器的工作波长范围；
所述密集波分复用器的截止波长等于电池最高工作温度下所述同波长光纤光栅传感器阵列的反射光波长。
2.如权利要求1所述的一种电动汽车电池温度监测报警系统的使用方法，其特征在于，电池绝对温度的监测方法为：所述光源发出的光经过所述第一耦合器后进入所述同波长光纤光栅传感阵列，所述同波长光纤光栅传感阵列的中心反射光经过所述第一耦合器后进入所述密集波分复用器，电池温度正常，所述同波长光纤光栅传感器阵列的中心反射光波长全部落在所述密集波分复用器的截止波长内，所述探测器没有光强信号响应；电池温度异常达到设定的温度上限，对应的光纤光栅传感器的中心反射光波长工作在所述密集波分复用器的工作波长范围内，所述光电探测器有光强信号响应，并传递给所述监测及报警电路进行报警处理；
电池相对温度的监测方法为：所述光源发出的光经过所述第一耦合器后进入所述同波长光纤光栅传感阵列，所述同波长光纤光栅传感阵列中的所有光纤光栅传感器的中心反射光谱相同，叠加后的中心反射光谱经过所述第一耦合器后进入所述窄带滤波器，电池温度正常，则所述同波长光纤光栅传感阵列和所述窄带滤波器的中心波长随温度正常变化；电池温度异常达到设定的温度变化阈值，对应的光纤光栅传感器的中心反射光波长值与所述窄带滤波器的中心波长值一致，所述光电探测器会检测到经过所述第二耦合器的所述窄带滤波器的反射光信号，并传递给所述监测及报警电路进行报警处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种电动汽车电池温度监测报警系统，其特征在于，所述窄带滤波器为单个光纤光栅。
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