CN113237510A - 一种电池多源参数传感器、电池单体以及电池模组 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池多源参数传感器、电池单体以及电池模组。该传感器包括:固定架、光纤FBG光栅以及FBG梁;所述FBG梁的两侧均设有FBG沟槽;每一所述FBG沟槽用于铺设、固定所述光纤FBG光栅;所述光纤FBG光栅中的FBG光栅平直地铺设于所述FBG梁的中部;所述固定架的两侧用于固定铺设有所述光纤FBG光栅的FBG梁。本发明实现对电池膨胀量、膨胀力、外载荷作用力和温度等多源参数的监测,提高对电池的感控能力。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域,特别是涉及一种电池多源参数传感器、电池单体以及电池模组。
背景技术
随着锂离子电池材料技术的进步,电池能量密度已经能够达到300Whkg-1的水平,高能量密度的电池给电动汽车带来了诸如长续驶里程、大功率等便利,与此同时也带来了极大的安全隐患,使得电动汽车起火、爆炸等事故呈现增长的趋势。当前工程层面对锂离子电池的管理和控制还有不足,如电池管理系统对电池的状态监控和状态估计仅能达到模组层面,无法深入每节单体电池,电池对本体毫无感控能力。发展锂离子智能电池能够从根本上解决电池状态测量困难,状态估计精度低,电池平衡能力不足等缺陷,对提高锂离子电池的安全性和可持续发展至关重要。
但现有的电池管理系统对电池状态监控无法深入每节单体电池,且电池对本体毫无感控能力。因此,亟需一种新型智能电池多源参数传感器解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电池多源参数传感器、电池单体以及电池模组,实现对电池膨胀量、膨胀力、外载荷作用力和温度等多源参数的监测,提高对电池的感控能力。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
一种电池多源参数传感器,包括:固定架、光纤FBG光栅以及FBG梁;
所述FBG梁的两侧均设有FBG沟槽;每一所述FBG沟槽用于铺设、固定所述光纤FBG光栅;所述光纤FBG光栅中的FBG光栅平直地铺设于所述FBG梁的中部;
所述固定架的两侧用于固定铺设有所述光纤FBG光栅的FBG梁。
可选地,所述光纤FBG光栅包括:3处等间距分布的FBG光栅。
可选地,所述光纤FBG光栅的个数为4个。
可选地,所述FBG梁的个数为2个。
可选地,两个固定在所述固定架上的FBG梁之间的间隙为2mm。
一种电池单体,包括:所述的电池多源参数传感器、电芯以及外壳;
所述电池多源参数传感器位于两个所述电芯之间;
所述外壳用于将所述电池多源参数传感器和所述电芯进行包覆,并通过螺栓和螺母进行紧固。
可选地,包括:多个所述的电池单体;
多个所述电池单体为层叠结构,并通过粗螺栓和粗螺母进行固定连接。
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:
本发明所提供的一种电池多源参数传感器、电池单体以及电池模组,通过光纤FBG光栅的栅距的改变,能够在单体电池层面实现对电池膨胀量、膨胀力、外载荷作用力和温度等多源参数的监测,并且本发明所提供的一种电池多源参数传感器安装在每节电池单体的单芯之间,可以深入每节单体电池,提高了对电池的感控能力。
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性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种电池多源参数传感器结构示意图;
图2为本发明所提供的光纤FBG光栅示意图;
图3为本发明所提供的FBG梁示意图;
图4为本发明所提供的固定架示意图;
图5为本发明所提供的电池多源参数传感器组装效果示意图;
图6为本发明所提供的电池多源参数传感器工作原理示意图;
图7为本发明所提供的一种电池单体结构示意图;
图8为本发明所提供的一种电池模组结构示意图。
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电池多源参数传感器、电池单体以及电池模组,实现对电池膨胀量、膨胀力、外载荷作用力和温度等多源参数的监测,提高对电池的感控能力。
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。
图1为本发明所提供的一种电池多源参数传感器结构示意图,如图1所示,本发明所提供的一种电池多源参数传感器,包括:固定架、光纤FBG光栅以及FBG梁。
如图3所示,所述FBG梁的两侧均设有FBG沟槽;每一所述FBG沟槽用于铺设、固定所述光纤FBG光栅;所述光纤FBG光栅中的FBG光栅平直地铺设于所述FBG梁的中部。
如图4所示,所述固定架的两侧用于固定铺设有所述光纤FBG光栅的FBG梁。
作为一个具体的实施例,FBG梁两侧均设有FBG沟槽用以铺设光纤FBG光栅并注入固定胶固定光纤FBG光栅。
如图2所示,所述光纤FBG光栅包括:3处等间距分布的FBG光栅。
其中,光纤FBG光栅传感原理如式(1)所示:
λB=2neffΛ (1)
式(1)中λB为布拉格波长,neff为有效折射率,Λ为光栅周期。式(1)中的neff和Λ均是温度和应变的函数,对式(1)求导可得式(2):
式(2)中ΔλB为波长改变量,α为热弹系数,β为热胀系数,ΔT为温度改变量,Pe为弹光系数,Δε为应变。在已知波长λB和波长改变量ΔλB后,通过解耦算法即可求得温度改变量和应变。
所述光纤FBG光栅的个数为4个。
所述FBG梁的个数为2个。
如图5所示,为了保证FBG梁的自由弯曲膨胀,进而能够使得光纤FBG光栅栅距能够发生变化,从而测量电池的多源参数,两个固定在所述固定架上的FBG梁之间的间隙为2mm。
如图6所示,多源参数传感器的工作原理如下:
a.设电池电极方向为纵向,电池充放电膨胀时因电池各纵向区域中部位置形变量最大,因而搭载光纤FBG光栅的FBG梁在此处受力最大,将此处的作用力简化为作用在光纤FBG光栅上的集中力;
b.FBG梁上的各梁变形独立,互不干扰;
dx为梁长度变化量,ω为挠度。
所以可得FBG梁的挠曲线方程式(5):
表1 FBG梁挠度曲线求解方程
综上可得,FBG梁的挠曲线如式(6)所示:
l为FBG梁的跨度。
则梁中部最大挠度如式(7)所示:
根据前文提到的假设,采用ωmax来表征电池的膨胀位移,多源参数传感器采用T300碳纤维材料,T300碳纤维材料属性如表2所示:
表2 T300碳纤维材料常数
参数 | l | E | I |
值 | 0.08m | 1.02×10<sup>11</sup>Pa | 10<sup>-12</sup>m<sup>4</sup> |
综上可得,电池形变量与电池膨胀力的作用关系如式(8)所示:
ωmax=104.58F(μm)(8)
根据多源参数传感器结构可知,当电池膨胀时,碳纤维板上下表面FBG运动方向相反,并且同时受到相同的温度作用,即有Δε1=-Δε2,ΔT1=ΔT2。因而在受到应变和温度的耦合作用时,两根FBG的中心波长位移量如式(9)和式(10)所示:
ΔλB1=kε1Δε1+kT1ΔT1(9)
ΔλB2=-kε2Δε2+kT2ΔT2(10)
式中ΔλB为FBG波长改变量,Δε为FBG应变改变量,ΔT为温度改变量,kε为FBG力学系数,kT为FBG热学系数,1、2分别代表上下FBG。
对式(9)和式(10)相加可得由温度引起的波长该变量,两式相减可得由应变引起的波长该变量,即有式(11):
式中T和F分别为电池的温度和力,KT和KF为光纤FBG光栅的力学系数和热学系数,通过读取FBG波长改变量并结合式(8)和式(11)即可获得电池所承受的膨胀位移、膨胀力、外载荷作用力和温度,实现对电池多源参数的监测。
图7为本发明所提供的一种电池单体结构示意图,如图7所示,本发明所提供的一种电池单体,包括:上述电池多源参数传感器、电芯以及外壳。
所述电池多源参数传感器位于两个所述电芯之间。
所述外壳用于将所述电池多源参数传感器和所述电芯进行包覆,并通过螺栓和螺母进行紧固。
搭载有多源参数传感器的电池单体由2块外壳,2块电芯和1块多源参数传感器组成,电芯将多源参数传感器包夹在中间,外壳将电芯和多源参数传感器包覆,利用螺栓螺母将全部部件紧固,组成搭载有多源参数传感器的电池单体。
图8为本发明所提供的一种电池模组结构示意图,如图8所示,本发明所提供的一种电池模组,包括:多个所述的电池单体;
多个所述电池单体为层叠结构,并通过粗螺栓和粗螺母进行固定连接。
搭载有多源参数传感器的电池单体通过层叠即可形成电池模组,具体的层叠数量可由实际情况决定,利用粗螺栓和粗螺母将单体连接即可组成模组。这充分说明了搭载有多源参数传感器的电池单体能够方便的将单体电池向模组层面升级,有利于对电池状态参数的全面监测。
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 (7)
1.一种电池多源参数传感器,其特征在于,包括:固定架、光纤FBG光栅以及FBG梁;
所述FBG梁的两侧均设有FBG沟槽;每一所述FBG沟槽用于铺设、固定所述光纤FBG光栅;所述光纤FBG光栅中的FBG光栅平直地铺设于所述FBG梁的中部;
所述固定架的两侧用于固定铺设有所述光纤FBG光栅的FBG梁。
2.根据权利要求1所述的一种电池多源参数传感器,其特征在于,所述光纤FBG光栅包括:3处等间距分布的FBG光栅。
3.根据权利要求1所述的一种电池多源参数传感器,其特征在于,所述光纤FBG光栅的个数为4个。
4.根据权利要求1所述的一种电池多源参数传感器,其特征在于,所述FBG梁的个数为2个。
5.根据权利要求2所述的一种电池多源参数传感器,其特征在于,两个固定在所述固定架上的FBG梁之间的间隙为2mm。
6.一种电池单体,其特征在于,包括:权利要求1-5任意一项所述的电池多源参数传感器、电芯以及外壳;
所述电池多源参数传感器位于两个所述电芯之间;
所述外壳用于将所述电池多源参数传感器和所述电芯进行包覆,并通过螺栓和螺母进行紧固。
7.一种电池模组,其特征在于,包括:多个如权利要求6所述的电池单体;
多个所述电池单体为层叠结构,并通过粗螺栓和粗螺母进行固定连接。
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CN117728100A (zh) * | 2024-02-08 | 2024-03-19 | 武汉理工大学 | 一种基于光纤传感的电池监测结构及装配方法 |
CN117728100B (zh) * | 2024-02-08 | 2024-05-03 | 武汉理工大学 | 一种基于光纤传感的电池监测结构及装配方法 |
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CN113237510B (zh) | 2022-07-05 |
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