CN113009214B - 一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法 - Google Patents

一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法，包括ASE宽带光源、隔离器、分路器、多串光纤Bragg、F‑P可调谐滤波器、锯齿波驱动电路、光电转换电路、MCU、被动均衡电路。BMS测电压系统因具有耐腐蚀性可方便的用于各种化学电池的任意位置如储能行业常见的磷酸铁锂电池的外部和内部或者液流电池的外部和内部，而且其具有精度高和抗电磁干扰等众多优点，利用STM32F103ZET6为主控芯片结合可调谐F‑P滤波器解调技术实现FBG传感器的测压系统；系统便携小巧，价格低，性价比高。本系统可方便和现有BMS系统集成替代国外长期垄断的电池前端采集芯片AFE。

Description

一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法
技术领域
本发明涉及一种光纤Bragg测电压方法，具体为一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法，属于光纤传感技术领域。
背景技术
光纤Bragg传感器是近些年光纤传感领域研究的热点。它不受电磁干扰、绝缘性能高、防爆性能好、耐腐蚀等优点。
光纤Bragg传感器解调的方法主要包括干涉法、光谱仪法、波长可调谐光源法、光栅色散解调法、滤波法等。其中，可调谐F-P滤波法具有灵敏度高、调谐范围大等优点。
现有BMS测电压系统采用电池前端采集芯片AFE，该芯片长期被国外垄断，比如LTC公司的LTC6811芯片,NXP公司的MC33771芯片，TI公司的BQ76PL455和BQ76940,Maxim公司的MAX17823等。
而市场上的现有的光纤Bragg测电压系统常常价格昂贵，体积较大，主控芯片非主流芯片开源性和可移植性差，不方便与现有的BMS系统集成。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法，所述方法应用于测电压系统中；所述测电压系统包括：
ASE宽带光源：该模块的主要功能是将电信号转换为光信号，产生功率足够、频谱比较宽的光波信号，以便于光波在光纤中传输；
隔离器：使光波沿着光纤在一个方向上传输，防止反射回来的光波到达宽带光源，以免损伤光源；
分路器：实现光纤信号的分路，如果采用是：一个输入，两个输出的分路器，该分路器将输入的一路光波信号分成两路光波信号输出；
多串光纤Bragg：多串的光纤Bragg传感器，每一个传感器贴在一个储能电池上；
F-P可调谐滤波器：用于在锯齿波驱动电压的作用下，扫描反射回来的光波信号；
锯齿波驱动电路：提供锯齿波信号，从而驱动滤波器；
光电转换电路：将微弱的光信号转换为对应的电信号，并将电信号进行放大，同时抑制外界的噪声；
MCU：处理光电转换而来的电信号，并通过内部的AD转换实现对储能电池电压的采集；
被动均衡电路：将实时采集的电压信号通过光纤Bragg传感器测电压的被动均衡来实现储能电池的电压采集和电压的被动均衡。
所述方法包括以下步骤：
步骤1：光波由宽带光源发出，当储能电池的电压产生变化时，则其通过光纤Bragg传感器返回的波长也会发生变化；
步骤2：反射回来的光信号通过分路器传输给F-P可调谐滤波器的F-P腔；
步骤3：锯齿波驱动电路输出锯齿波电压，使得F-P可调谐滤波器的腔长发生相应的变化，这样穿过F-P腔的光波也会发生变化；
步骤4：当光纤Bragg传感器的反射波长和F-P腔的波长重合时，光电转换电路探测到相应的光信号；
步骤5：通过光电转换电路和MCU的AD转换将电压值传给MCU，在采集到每一节电池电压的同时通过光纤Bragg传感器测电压的均衡电路来实现储能电池的电压采集和电压的被动均衡，完成整个系统。
作为本发明再进一步的方案：所述测电压系统的MCU为STM32F103ZET6型Cortex-M3内核结构的STM32芯片。
作为本发明再进一步的方案：所述测电压系统的多串光纤Bragg的光纤Bragg传感器与电池BMS的被动均衡结合，当通过光纤Bragg传感器将每串的电池电压通过一系列光电转换后传到MCU中，MCU比较出最低电压的电池，从而对应的MOS管导通，电阻回路R2至Rn各自的回路接通，通过电路发热的方式消耗多余电量，从而达到整组电池组的电压均衡。
本发明的有益效果是：该适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法设计合理，基于光纤Bragg传感器的众多优点建立起的BMS测电压系统，因其具有耐腐蚀性可方便的用于各种化学电池的任意位置如储能行业常见的磷酸铁锂电池的外部和内部或者液流电池的外部和内部，而且其具有精度高和抗电磁干扰等众多优点，利用STM32F103ZET6为主控芯片结合可调谐F-P滤波器解调技术实现FBG传感器的测压系统；系统便携小巧，价格低，性价比高，本系统可方便和现有BMS系统集成替代国外长期垄断的电池前端采集芯片AFE。
对于电池测电压系统，本发明主要采用光纤Bragg传感器，可调谐F-P滤波器，MCU采用市场的基于ARM Cortex-M3内核的主流芯片STM32F103ZET6，系统主要模块包括ASE宽带光源模块，FBG传感器模块，可调谐F-P滤波器解调模块，锯齿波驱动模块，MCU内置PWM信号发生器，PIN光电二极管采集与电压放大电路；MCU内置AD转换模块；在驱动电压的捕获过程中，对传感信号的光电转换以及信号放大等进行了设计。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明STM32芯片内核结构示意图；
图3为本发明光纤Bragg传感器测电压的被动均衡图。
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。
请参阅图1～3，一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法，所述方法应用于测电压系统中；所述测电压系统包括：
ASE宽带光源：该模块的主要功能是将电信号转换为光信号，产生功率足够、频谱比较宽的光波信号，以便于光波在光纤中传输；
隔离器：使光波沿着光纤在一个方向上传输，防止反射回来的光波到达宽带光源，以免损伤光源；
分路器：实现光纤信号的分路，如果采用是：一个输入，两个输出的分路器，该分路器将输入的一路光波信号分成两路光波信号输出；
多串光纤Bragg：多串的光纤Bragg传感器，每一个传感器贴在一个储能电池上；
F-P可调谐滤波器：用于在锯齿波驱动电压的作用下，扫描反射回来的光波信号；
锯齿波驱动电路：提供锯齿波信号，从而驱动滤波器；
光电转换电路：将微弱的光信号转换为对应的电信号，并将电信号进行放大，同时抑制外界的噪声；
MCU：处理光电转换而来的电信号，并通过内部的AD转换实现对储能电池电压的采集；
被动均衡电路：将实时采集的电压信号通过光纤Bragg传感器测电压的被动均衡来实现储能电池的电压采集和电压的被动均衡。
所述方法包括以下步骤：
步骤1：光波由宽带光源发出，当储能电池的电压产生变化时，则其通过光纤Bragg传感器返回的波长也会发生变化；
步骤2：反射回来的光信号通过分路器传输给F-P可调谐滤波器的F-P腔；
步骤3：锯齿波驱动电路输出锯齿波电压，使得F-P可调谐滤波器的腔长发生相应的变化，这样穿过F-P腔的光波也会发生变化；
步骤4：当光纤Bragg传感器的反射波长和F-P腔的波长重合时，光电转换电路探测到相应的光信号；
步骤5：通过光电转换电路和MCU的AD转换将电压值传给MCU，在采集到每一节电池电压的同时通过光纤Bragg传感器测电压的均衡电路来实现储能电池的电压采集和电压的被动均衡，完成整个系统。
在本发明实施例中，所述测电压系统的MCU为STM32F103ZET6型Cortex-M3内核结构的STM32芯片，便携小巧，价格低，性价比高，可方便和现有BMS系统集成替代国外长期垄断的电池前端采集芯片AFE。
在本发明实施例中，所述测电压系统的多串光纤Bragg的光纤Bragg传感器与电池BMS的被动均衡结合，当通过光纤Bragg传感器将每串的电池电压通过一系列光电转换后传到MCU中，MCU比较出最低电压的电池，从而对应的MOS管导通，电阻回路R2至Rn各自的回路接通，通过电路发热的方式消耗多余电量，从而达到整组电池组的电压均衡，不但采集电压精度高，抗电磁干扰，且整体光纤测电压系统与被动结合起来，替换了现有的AFE芯片。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法，所述方法应用测电压系统中；其特征在于：所述测电压系统包括：
ASE宽带光源：将电信号转换为光信号，产生光波信号，以便于光波在光纤中传输；
隔离器：使光波沿着光纤在一个方向上传输，防止反射回来的光波到达宽带光源，以免损伤光源；
分路器：实现光纤信号的分路，采用的是一个输入，两个输出的分路器，该分路器将输入的一路光波信号分成两路光波信号输出；
多串光纤Bragg：多串的光纤Bragg传感器，每一个传感器贴在一个储能电池上；
F-P可调谐滤波器：用于在锯齿波驱动电压的作用下，扫描反射回来的光波信号；
锯齿波驱动电路：提供锯齿波信号，从而驱动滤波器；
光电转换电路：将微弱的光信号转换为对应的电信号，并将电信号进行放大，同时抑制外界的噪声；
MCU：处理光电转换而来的电信号，并通过内部的AD转换实现对储能电池电压的采集；
被动均衡电路：将实时采集的电压信号通过光纤Bragg传感器测电压的被动均衡来实现储能电池的电压采集和电压的被动均衡；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：光波由宽带光源发出，当储能电池的电压产生变化时，则其通过光纤Bragg传感器返回的波长也会发生变化；
步骤2：反射回来的光信号通过分路器传输给F-P可调谐滤波器的F-P腔；
步骤3：锯齿波驱动电路输出锯齿波电压，使得F-P可调谐滤波器的腔长发生相应的变化，这样穿过F-P腔的光波也会发生变化；
步骤4：当光纤Bragg传感器的反射波长和F-P腔的波长重合时，光电转换电路探测到相应的光信号；
步骤5：通过光电转换电路和MCU的AD转换将电压值传给MCU，在采集到每一节电池电压的同时通过光纤Bragg传感器测电压的均衡电路来实现储能电池的电压采集和电压的被动均衡，完成整个系统；
所述测电压系统的多串光纤Bragg的光纤Bragg传感器与电池BMS的被动均衡结合，当通过光纤Bragg传感器将每串的电池电压通过一系列光电转换后传到MCU中，MCU比较出最低电压的电池，从而对应的MOS管导通，电阻回路R2至Rn各自的回路接通，通过电路发热的方式消耗多余电量，从而达到整组电池组的电压均衡。
2.根据权利要求1所述的一种适用于储能电池的光纤Bragg测电压方法，其特征在于：所述测电压系统的MCU为STM32F103ZET6型Cortex-M3内核结构的STM32芯片。
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