CN113218427A - 单体电池温度压力气体复合传感光纤探头及系统和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单体电池温度压力气体复合传感光纤探头及系统和应用。单体电池温度压力气体复合传感光纤探头，温度压力传感光纤探头和气体传感光纤探头；温度压力传感光纤探头包括依次相连的第一单模光纤、掺锗单模光纤、微结构光纤；所述掺锗单模光纤上刻有商用单模光纤布拉格光栅用于传感温度；微结构光纤上刻有压力增敏光纤布拉格光栅用于传感压力；气体传感光纤探头包括相连的第二单模光纤、空芯导光光纤。电池温度压力气体准分布式光纤传感系统，包括：传感模块、解调模块和多路光开关模块；传感模块包括多个所述的温度压力气体单体电池复合传感光纤探头。本发明通过对单体电池的温度压力气体实时监测，有效保障了动力电池包的安全。

Description

单体电池温度压力气体复合传感光纤探头及系统和应用
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种单体电池温度压力气体复合传感光纤探头及系统和应用。
背景技术
在电池传感领域，关键监测指标包括工作电压、温度、内部压力及电解质分解生成的气体种类及浓度等。目前电池安全监测局限于电池的表面温度这一项，传统的温度传感方案包括：热电偶(thermocouple)，热敏电阻(thermistor)，声波探测(acoustic probe)，电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy)等。然而这些方案只能感知电池表面的壳体温度，即使可以通过分析热传导模型去推测电池的内部中心温度，并通过温度数据来推断电池是否达到了热失控状态进而判断电池内部压力是否过大和是否生成气体，但总体来说，上述传感方案的结果是间接且近似的，并不十分可靠。
随着新能源的提倡与发展，新能源汽车的市场规模逐渐扩大。在新能源汽车中，动力电池包是汽车的主要动力来源，由一系列单体电池经串并联组成，电池单体的总数量可达数百个。目前，对于动力电池包的安全检测仅仅停留在整个电池模块的温度上，并未涉及到每个单体电池的内部温度、压力以及热失控时电解质分解产生的CO、CO2和多种VOC气体，存在很大的安全隐患。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供单体电池温度压力气体复合传感光纤探头及系统和应用，实现对动力电池包中每个单体电池的工作温度、内部压力及电解质分解产生气体的种类和浓度检测。光纤传感器具有结构轻便、电磁免疫、使用寿命长、灵敏度高等显著优势。将光纤传感方案用于电池的优势在于，可以在极少占用电池内部空间的情况下将其嵌入到单体电池中测量其内部温度、压力、可能产生的气体种类及浓度，且几乎不会影响到电池的使用性能。
一种单体电池温度压力气体复合传感光纤探头，包括温度压力传感光纤探头和气体传感光纤探头；所述的温度压力传感光纤探头包括依次相连的第一单模光纤、掺锗单模光纤、微结构光纤；所述掺锗单模光纤上刻有商用单模光纤布拉格光栅用于传感温度；所述微结构光纤上刻有压力增敏光纤布拉格光栅用于传感压力；所述的气体传感光纤探头包括相连的第二单模光纤、空芯导光光纤。
所述的压力传感光纤探头采用微结构光纤，包括双孔光纤或者悬芯光纤。
所述的气体传感光纤探头采用带隙型微结构光纤，包括空芯光子晶体光纤或者空芯反谐振光纤。
所述空芯导光光纤侧面设有若干通孔，用于与外界的电池气体环境保持连通；所述空芯导光光纤末端设有高反射率结构，用于折返探测气体的信号光。
一种电池温度压力气体准分布式光纤传感系统，包括：传感模块、解调模块和多路光开关模块；所述传感模块包括多个所述的温度压力气体单体电池复合传感光纤探头；所述解调模块包括光纤光栅解调仪和光纤气体解调仪，所述光纤光栅解调仪用于解调温度和压力信息，所述光纤气体解调仪用于解调气体浓度信息；所述多路光开关模块包括多个光开关器件，用于将所述解调模块中不同解调仪发出的激光输出到特定单体电池的温度压力传感光纤探头或气体传感光纤探头。
所述的光纤光栅解调仪采用基于波长可扫描半导体激光器或者基于宽带光源与可调谐滤波器。
所述光纤气体解调仪采用可调谐激光吸收光谱技术，可通过一个1×M光开关，将对应不同气体吸收峰的窄带激光器接入到所述光纤气体解调仪中，M为需要监测的气体种类数量。
所述多路光开关模块包括一个1×2光开关和一个1×N光开关，所述1×2光开关为树型耦合器，具有一个输入端，2个输出端；所述1×N光开关为树型耦合器，具有一个输入端，N个输出端，N等于需要监测的单体电池数量。
一种所述的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统的应用方法，工作时，两路探测光分别从光纤光栅解调仪和光纤气体解调仪的内置光源中出发，经过一个1×2光开关后合并成一路探测光，再通过一个1×N光开关分成多路探测光作为每一组安装于单体电池内部的温度压力气体传感光纤探头的探测光，从每组安装于单体电池内部的温度压力气体传感光纤探头返回的探测光再依次通过1×N光开关和1×2光开关回到光纤光栅解调仪或光纤气体解调仪中被分析处理；当单体电池内部温度、压力变化时，商用单模光纤布拉格光栅和压力增敏光纤布拉格光栅的反射峰波长均会发生漂移，通过分析两者的波长偏移量得到温度和压力信号的变化量，通过监测气体传感光纤探头返回的探测光中特定波长光的二次谐波量则可以得到对应CO、CO2和多种VOC气体的浓度。
在一种可选的实施方式中，所述掺锗单模光纤长度等于5厘米，所述双孔光纤长度等于5厘米，所述空芯导光光纤长度等于10厘米，所述空芯导光光纤端面反射膜厚度等于10微米。
在一种可选的实施方式中，所述商用单模光纤布拉格光栅和压力增敏光纤布拉格光栅的长度为3mm，反射峰波长在1550nm附近。
本发明的有益效果：
本发明提供的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统通过多路光开关模块、传感模块、解调模块实现对动力电池包中每个电池单体的内部温度、压力和电解质分解生成气体的种类与浓度的监测；通过监测单体电池内部的温度变化，以判断电池是否处于正常工作状态；通过监测单体电池内部的压力变化，以判断电池内部是否有气体生成从而及时排查；通过监测单体电池内部生成的气体种类及浓度，以判断电池内的电解质分解程度和电池处于危险状态的程度，及时给出警报；通过对每个单体电池的实时监测，以判断具体是哪一个单体电池出现了故障，进而有效排查以免危害到整个动力电池包的安全。
附图说明
图1为本发明一实施方式的温度压力传感光纤探头的结构示意图。
图2为本发明一实施方式的气体传感光纤探头的结构示意图。
图3为本发明一实施方式的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统的结构示意图。
图4为本发明一实施方式的来自温度压力传感光纤探头的商用单模光纤布拉格光栅和压力增敏光纤布拉格光栅的反射光谱的示意图。
图5为本发明一实施方式的来自气体传感光纤探头的二次谐波光谱的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行描述，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。
本申请实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
请参阅图1，图1为本发明一实施方式的温度压力传感光纤探头的结构示意图。
如图1所示，温度压力传感光纤探头包括第一单模光纤5、掺锗单模光纤6、微结构光纤9。在掺锗单模光纤6上刻有商用单模光纤布拉格光栅7，在微结构光纤9上刻有压力增敏光纤布拉格光栅8。第一单模光纤5、掺锗单模光纤6和微结构光纤9均采用电弧放电方式熔接。
其中，压力增敏光纤布拉格光栅采用微结构光纤的方式实现。在本实施例中，采用的具体微结构光纤为双孔光纤。在其他实施方式中，压力增敏光纤布拉格光栅可以用其他微结构光纤实现（如悬芯光纤）。为了便于理解，图1另外示出了掺锗单模光纤的横截面10，和微结构光纤（本实施例为双孔光纤）横截面11。
具体地，可采用掩膜板紫外光刻法将商用单模光纤布拉格光栅写入掺锗单模光纤中，将压力增敏光纤布拉格光栅写入微结构光纤中，也可采用双光束干涉法等其他方法刻写光纤布拉格光栅。
通过使用不同栅距的掩膜板，所刻写的光纤布拉格光栅的反射峰波长（又称，中心波长）是不同的。特别地，记商用单模光纤布拉格光栅7的中心波长为λ1，压力增敏光纤布拉格光栅8的中心波长为λ2。
光纤布拉格光栅的中心波长会受到环境温度、压力和应变的影响而发生漂移。在本实施例中，由于电池充放电过程会产生热量和气体，故光纤布拉格光栅的中心波长漂移主要由电池内部的温度和压力引起；由于光纤在电池内部靠近顶部位置固定后几乎不再被拉伸，故可以忽略应变的影响。商用单模光纤布拉格光栅7和压力增敏光纤布拉格光栅8的中心波长偏移由以下公式给出：
Δλ1=k1·ΔT+ k2·ΔP…………………………………………（1）
Δλ2=k3·ΔT+ k4·ΔP…………………………………………（2）
在本实施例中，在单体电池内部，掺锗单模光纤6和双孔光纤9均被电解质液体浸没。当温度变化时，商用单模光纤布拉格光栅7对温度的灵敏度k1和压力增敏光纤布拉格光栅8对温度的灵敏度k3的数量级是相当的。当电池非正常使用而导致部分电解质分解产生气体时，掺锗单模光纤6和双孔光纤9则会被气体包围或填充（有气体生成时，会首先填充满电池的顶部使得电解质液体的液面下降，故温度/气压传感光纤探头会暴露在气体中）。当电池内部气体增多导致气压增大时，双孔光纤9内部的两个空气柱的气压也会增大，压力增敏光纤布拉格光栅8受到气压的影响会更显著，故压力增敏光纤布拉格光栅8对气压的灵敏度k4会远大于商用单模光纤布拉格光栅对气压的灵敏度的k2。根据公式（1）、（2）可求出温度和气压的各自变化：
ΔP =（k1Δλ2-k3Δλ1）/（k1k4-k2k3）……………………（3）
ΔT =（k4Δλ1-k2Δλ2）/（k1k4-k2k3）……………………（4）。
请参阅图2，图2为本发明一实施方式的气体传感光纤探头的结构示意图。
如图2所示，气体传感光纤探头包括第二单模光纤12、空芯导光光纤13。第二单模光纤12和空芯导光光纤13采用电弧放电方式熔接。空芯导光光纤上有若干通孔14，空芯导光光纤的末端设有高反射率结构15。图2中同时示出了空芯导光光纤横截面16和通孔处的空芯导光光纤横截面17。
其中，空芯导光光纤，是指纤芯层为空气芯的光纤。光波在空气芯中传输时，由于不满足全反射条件，故有一定量的损耗，称为漏模。由于所用的空芯导光光纤长度很小，故来自漏模的光能量损耗可以忽略不计。
具体地，可采用飞秒激光刻写的方式打出通孔14，通孔用于与外部的电池气体环境保持连通，使得电解质分解产生的气体能够填充进空芯导光光纤的空气芯中。在本实施例中，空芯导光光纤上的通孔数量为3个。高反射率结构用于使光路折返，使得光程增加一倍。在本实施例中，可采用旋涂法等方式涂覆一层反射膜在空芯导光光纤的端面上。
根据气体的吸收光谱理论，不同气体类型对不同波长光的吸收系数是不同的，以此可实现对空芯导光光纤13的空气芯中的气体成分的判断。在本实施例中，以电解质分解产生的其中三种气体CO、CO2、CH4为例。根据Beer-Lambert法则：
A = lg(1/T) = KLc……………………………………………（5）
式中，A表示吸光度，T表示光透过率，K表示气体对光的吸收系数（单位：L/g·cm），L为气体吸收层的长度（单位：cm），c为气体浓度（单位：g/L）。
在本实施例中，电池内部CO、CO2、CH4这三种气体的浓度为：
ci=3,4,5 = lg(1/T) / 2LK i=3,4,5……………………………………（6）
查询HITRAN数据库，CO、CO2、CH4在近红外区域的一处吸收峰位置分别记为λ3（1574nm）、λ4（1645nm）和λ5（1654nm），对应的吸收系数记为K3、K4、K5（单位：L/g·cm），L为空芯导光光纤的长度。则通过监测特定波长的透过率则可以计算出对应气体的浓度。
lg(1/T)对应浓度c的灵敏度为2LK，由于气体吸收系数为一定值，故可以通过增加L来提高该传感器的灵敏度。具体地，可通过增加空芯导光光纤的长度或增加光波在空芯导光光纤中的反射次数。
可选地，为了进一步提高探测精度与准确性，消除环境噪声，气体浓度的监测可采用可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）。通过周期性调制注入电流，使可调谐二极管激光器出射的激光在一个窄的范围波长快速周期性变化。当激光出射波长处于气体分子的特征吸收谱线范围，就可以得到完整地气体吸收曲线，利用吸收谱线吸收线型、强度等参数可以推算出被测气体的性质和浓度信息。TDLAS解调部分解调算法可选用波长调制光谱技术，调制光谱技术是在光谱直接吸收检测的基础上，叠加高频信号进行激光调制，对特定频率利用锁相放大器进行解调以提取气体吸收信息。激光器由于受到高频正弦调制，光束携带有正弦调制信号的频率信息，由于二次谐波线型峰值在谱线的中心，关于谱线中心是对称的。同时，在偶次谐波中，二次谐波谱线强度最强，最容易获取，因此选用二次谐波来检测气体。
请参阅图3，图3为本发明一实施方式的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统的结构示意图。该系统包括解调模块1、多路光开关模块2、传感模块3。
多路光开关模块2包括一个1×2光开关和一个1×N光开关。其中，1×N光开关为树型耦合器，具有一个输入端，N个输出端。在本实施例中，N等于需要监测的单体电池数量。把1×2光开关和一个1×N光开关的输入端接起来，这样，在一个时刻，可以选择解调模块1中的光纤光栅解调仪或者光纤气体解调仪中的任一个解调仪接入所述传感模块3的任一个传感光纤探头。
传感模块3包括多个如图所示的安装于单体电池内部的温度压力气体复合传感光纤探头，每个复合传感探头包含温度压力传感光纤探头和气体传感光纤探头，总数量为N个。其中，温度探头是商用单模光纤布拉格光栅传感器；压力探头是压力增敏光纤布拉格光栅，具体地，可以采用双孔光纤、悬芯光纤等微结构光纤来实现；气体探头是空芯导光光纤，具体地，可以采用空芯光子晶体光纤，空芯反谐振光纤等带隙型微结构光纤来实现。
解调模块1包括光纤光栅解调仪和光纤气体解调仪。其中，光纤光栅解调仪有两种实施方式，一种是基于波长可扫描半导体激光器，另一种是基于宽带光源与可调谐滤波器；光纤气体解调仪的实施方式基于可调谐激光吸收光谱技术，可通过一个1×M光开关，接入对应不同气体吸收峰的窄带激光器。M为需要监测的气体种类数量。在本实施例中，解调模块的通道数需大于等于N。在其他实施方式中，可根据电池数量调整多路光开关模块2的输出通道数N，安装于单体电池内部的温度压力气体复合传感光纤探头的数量N。
在本实施例中，所用第一单模光纤5、第二单模光纤12、掺锗单模光纤6包层直径等于125μm，芯层直径等于9μm；所用双孔光纤9包层直径等于125μm，芯层直径等于9μm，两个空气柱的直径在20-50μm之间，空气柱的直径越大，则刻写在双孔光纤9上的压力增敏光纤布拉格光栅8对气压的灵敏度越高。所用空芯导光光纤13包层直径等于125μm，空气芯直径等于9μm，空芯导光光纤上的通孔14直径应小于等于空气芯直径，在本实施例中，通孔直径等于5μm。所用掺锗单模光纤6长度等于5cm，双孔光纤9长度等于5cm，空芯导光光纤13长度等于10cm，空芯导光光纤端面反射膜15厚度等于10μm。在其他实施方式中，可根据实际需求调整掺锗单模光纤6、双孔光纤9、空芯导光光纤13的直径和长度，以及空芯导光光纤端面反射膜15的厚度。
在本实施例中，商用单模光纤布拉格光栅7和压力增敏光纤布拉格光栅8的长度等于3mm，反射峰波长在1550nm附近。可选的，商用单模光纤布拉格光栅7的反射峰波长λ1等于1550nm，压力增敏光纤布拉格光栅8的反射峰波长λ2等于1555nm。在其他实施方式中，可根据实际需求将商用单模光纤布拉格光栅7和压力增敏光纤布拉格光栅8设计为其他长度，将反射峰波长设计为其他1550nm附近的反射峰波长。
温度压力传感光纤探头和气体传感光纤探头均位于单体电池4内部靠近其顶部的位置，其参数和功能已做清晰描述，此处不再赘述。
单体电池4为锂离子动力电池，主要包括磷酸铁锂电池和三元锂电池两类。单体电池结构主要有圆柱型和长方型两种。本实施例中，选用的单体电池为长方型的三元锂电池，外形尺寸为200*33*167mm3。在其他实施方式中，可调整电池的种类、外型和尺寸。
在本实施例中，宽带光源作为光纤温度压力探头的光源；窄带光源作为光纤气体探头的光源。两路探测光分别从光纤光栅解调仪和光纤气体解调仪的内置光源中出发，经过一个1×2光开关后合并成一路探测光，再通过一个1×N光开关分成多路探测光作为每一组安装于单体电池内部的温度压力气体传感光纤探头的探测光。从每组安装于单体电池内部的温度压力气体传感光纤探头返回的探测光再依次通过1×N光开关和1×2光开关，返回到光纤光栅解调仪或者光纤气体解调仪中被分析处理。
请参阅图4，图4为本发明一实施方式的来自温度压力传感光纤探头的商用单模光纤布拉格光栅和压力增敏光纤布拉格光栅反射峰光谱的示意图。其中，Intensity表示信号光强度，Wavelength表示光的波长。如图4所示，商用单模光纤布拉格光栅和压力增敏光纤布拉格光栅反射峰波长分别为λ1和λ2（图中黑色实线部分）。由于电池使用过程中内部温度和压力的变化，导致商用单模光纤布拉格光栅和压力增敏光纤布拉格的反射峰波长发生蓝移或红移，偏移量记为Δλ1和Δλ2，偏移后的光纤布拉格光栅的中心波长位置如图灰色虚线所示。
请参阅图5，图5为本发明一实施方式的气体吸收光谱的示意图。其中，Intensity表示信号光强度，Wavelength表示光的波长。在本实施例中，λ3表示CO气体在近红外区域的一处吸收峰位置。图示三条曲线表示不同CO浓度下测得的二次谐波曲线。二次谐波的峰值越高，对应的CO气体浓度也越大。

Claims (9)

1.一种单体电池温度压力气体复合传感光纤探头，其特征在于，包括温度压力传感光纤探头和气体传感光纤探头；
所述的温度压力传感光纤探头包括依次相连的第一单模光纤、掺锗单模光纤、微结构光纤；所述掺锗单模光纤上刻有商用单模光纤布拉格光栅用于传感温度；所述微结构光纤上刻有压力增敏光纤布拉格光栅用于传感压力；
所述的气体传感光纤探头包括相连的第二单模光纤、空芯导光光纤。
2.根据权利要求1所述的复合传感光纤探头，其特征在于，所述的压力传感光纤探头采用微结构光纤，包括双孔光纤或者悬芯光纤。
3.根据权利要求1所述的复合传感光纤探头，其特征在于，所述的气体传感光纤探头采用带隙型微结构光纤，包括空芯光子晶体光纤或者空芯反谐振光纤。
4.根据权利要求1所述的复合传感光纤探头，其特征在于，
所述空芯导光光纤侧面设有若干通孔，用于与外界的电池气体环境保持连通；
所述空芯导光光纤末端设有高反射率结构，用于折返探测气体的信号光。
5.一种电池温度压力气体准分布式光纤传感系统，其特征在于，包括：传感模块、解调模块和多路光开关模块；
所述传感模块包括多个如权利要求1-4任一项所述的温度压力气体单体电池复合传感光纤探头；
所述解调模块包括光纤光栅解调仪和光纤气体解调仪，所述光纤光栅解调仪用于解调温度和压力信息，所述光纤气体解调仪用于解调气体浓度信息；
所述多路光开关模块包括多个光开关器件，用于将所述解调模块中不同解调仪发出的激光输出到特定单体电池的温度压力传感光纤探头或气体传感光纤探头。
6.根据权利要求5所述的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述的光纤光栅解调仪采用基于波长可扫描半导体激光器或者基于宽带光源与可调谐滤波器。
7.根据权利要求5所述的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述光纤气体解调仪采用可调谐激光吸收光谱技术，可通过一个1×M光开关，将对应不同气体吸收峰的窄带激光器接入到所述光纤气体解调仪中，M为需要监测的气体种类数量。
8.根据权利要求5所述的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统，其特征在于，所述多路光开关模块包括一个1×2光开关和一个1×N光开关，所述1×2光开关为树型耦合器，具有一个输入端，2个输出端；所述1×N光开关为树型耦合器，具有一个输入端，N个输出端，N等于需要监测的单体电池数量。
9.一种根据权利要求5所述的电池温度压力气体准分布式光纤传感系统的应用方法，其特征在于，工作时，两路探测光分别从光纤光栅解调仪和光纤气体解调仪的内置光源中出发，经过一个1×2光开关后合并成一路探测光，再通过一个1×N光开关分成多路探测光作为每一组安装于单体电池内部的温度压力气体传感光纤探头的探测光，从每组安装于单体电池内部的温度压力气体传感光纤探头返回的探测光再依次通过1×N光开关和1×2光开关回到光纤光栅解调仪或光纤气体解调仪中被分析处理；当单体电池内部温度、压力变化时，商用单模光纤布拉格光栅和压力增敏光纤布拉格光栅的反射峰波长均会发生漂移，通过分析两者的波长偏移量得到温度和压力信号的变化量，通过监测气体传感光纤探头返回的探测光中特定波长光的二次谐波量则可以得到对应CO、CO2和多种VOC气体的浓度。
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