CN113466701A - 基于fbg的储能电池内部多参量一体化在线监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于FBG的储能电池内多参量一体化在线监测系统，属于储能电池内部多参量状态的监测设备技术领域，本系统的组成主要包括基于光纤布拉格光栅(FBG)的温度、应变、压力、电流、电压以及气体等多类传感器，FBG解调仪，计算机，传输光纤等。由于多类参量传感器均是基于FBG设计的，因此，可以将这些传感器串在同一根光纤上传输，并且可以大量复用，建立从单体电池、模组、簇甚至到储能系统的多参量一体化、分布式的光纤传感监测网络。系统具有结构简单、占用空间小、抗电磁干扰、耐腐蚀、多种参量一体化、分布式同时测量等优点，能够实时监测储能电池内部多种参量的状态，以此判断锂电池电荷量SOC、健康状况SOH和剩余寿命RUL等。

Description

基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统及方法
技术领域
本发明属于储能电池内部多参量状态的监测设备技术领域，具体涉及一种基于低反射率FBG阵列传感技术的光纤传感在线监测系统及方法。
背景技术
储能电池，特别是锂离子电池，作为一种清洁能源电池，因具有能量密度高、转换效率高、自放电率低、使用寿命长等优势，已被广泛应用于电动汽车、大型储能电站等行业。近几年，国内外已发生了多起储能电池系统的安全事故，造成了严重的经济损失及社会影响。研究储能电池内部温度、应变、压力、电流、电压以及气体成分和浓度等多种参量的监测方法，对储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等具有重要意义。
储能电池在充放电过程中其温度会逐渐升高，在正、负极耳的位置温度变化更为显著，当电池发生热失控行为时，其内部温度会急剧升高，这时就极有可能烧毁电池，因此，在电池内部监测温度状态可以对热失控进行早期预警，有效防止电池安全事故的发生。电池内部离子在嵌入/脱出正负电极过程中的嵌脱应力以及温度分布不一致导致的热应力会使电芯发生形变，当应变达到一定程度时隔膜就可能破裂，导致内部短路的安全问题，因此，监测电池内部应变有助于预防此类安全事故的发生。储能电池在使用过程中会产生一些气体，如磷酸铁锂电池会产生氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等气体，由于电池内部空间狭小、密闭，这些气体会在内部产生一定压力，当压力达到一定程度就可能使电池壳发生变形，严重影响电池寿命，因此需要监测内部压力，当达到一定阈值后打开气阀，就可以释放内部压力；另外，电池在不同时期内部产生的气体组分比例是变化的，监测气体的浓度有助于预测电池的剩余寿命。一个单体电池往往是由多个电芯串联或并联组成的，如果电芯之间的电流或者电压不均衡，会对单体电池的健康状况造成不良影响，因此电流、电压的监测有助于预估电池状态。
针对储能电池内部复杂、狭小、密闭、腐蚀与电磁干扰环境下传感器的应用需求，现有的电类传感器已经不能满足该条件，因此迫切需要采用一种新的传感技术。
目前，关于锂电池内部部分参量的测量方法主要有以下几种：
1.中国专利(专利号CN201410773061.1)“一种软包装聚合物锂电池组在线监测系统及其监测方法”中所介绍的软包电池的在线监测系统，由温度传感器和应变传感器监测电池状况。但该发明内容中所述的温度传感器和电阻应变传感器均为电类传感器，该类传感器易受电磁干扰、抗腐蚀性差、不能多点式复用等致命缺点，并且该方法仅测量温度和应变的布线就极为复杂且占用空间较大，因此，不适用于锂电池内部多参量的测量。
2.解钊(解钊.储能电池组高精度参数检测及SOC估算设备研发[D].北京交通大学,2020.)提到了一种储能电池电流和电压的测量方法，其中电流采用霍尔传感器监测，使用电阻分压网络测量电压，系统采用CS5463芯片对电流和电压信号进行采集。该方法所采用的两种传感器也是电类传感器，仍然具有电类传感器的致命缺点，很难对储能电池进行分布式组网监测。
目前，有关储能电池内部温度、应变、电流和电压中部分参量的监测方面的文献不少，但是其中大部分采用的都是电类传感器的检测方法，而对于电池内部气压和气体浓度的检测方法则少之又少了。由于电类传感器本身易受电磁干扰、耐腐蚀性差、多点测量时组网困难，使得这类传感器很难在储能电池内部复杂、狭小、密闭、腐蚀与电磁干扰环境中得到应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明针对储能电池内部复杂、狭小、密闭、腐蚀与电磁干扰环境中温度、应变、压力、电流、电压以及气体成分和浓度等多种参量的在线监测的要求，结合低反射率FBG阵列传感技术，提出一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统及方法，满足储能电池内部多类传感器微型化、耐腐蚀、抗电磁干扰等要求，建立从单体电池、模组、簇甚至到储能系统的多参量一体化、多复用、分布式的光纤传感监测网络。
本发明采用如下技术方案：
一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统，包括计算机、解调仪和单体储能电池或模组或簇或储能系统，单体储能电池或模组或簇或储能系统通过传输光纤串联后与解调仪的信号输入端连接，解调仪的信号输出端与计算机的输入端连接。
进一步地，所述单体储能电池内设有串联在同一根光纤上的温度传感器、压力传感器、应变传感器、电压传感器、电流传感器和气体传感器。因而极大地简化了单体电池内部多类传感器的布置工艺，减少了多类传感器所占用的空间。
进一步地，所述温度传感器、压力传感器、应变传感器、电压传感器、电流传感器和气体传感器均为FBG传感器。因而具有微型化、抗电磁干扰以及高精度的特点。
进一步地，所述温度传感器与单体储能电池的正、负极耳相邻，用于测量极耳处的温度变化；应变传感器布置在单体储能电池的电芯应变变化量最大的两侧，压力传感器布置在单体储能电池内部空间相对较大的顶壳与电芯之间的空隙处，用于测量电池内部气压；电压传感器与单体储能电池的正、负极耳连接，用于测量两块电芯的充放电电压；电流传感器与单体储能电池的正极耳与正电极或负极耳与负电极连接，用于测量两块电芯的充放电电流；气体传感器布置在单体储能电池的顶壳与电芯之间，用于测量电解液反应产生的气体成分浓度。
进一步地，所述单体电池、模组、簇到储能系统的串接方式采用具有密封性的光纤连接法兰连接。因此不会影响电池间的串联或者并联的组和方式。
一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测方法，单体储能电池内部多种参量传感器串在同一根光纤上传输，采集温度、应变、压力、电流、电压以及气体成分和浓度等多种信号，然后通过FBG解调仪进行信号解调，最后将解调信号传输给计算机，从而建立适用于储能电池内部复杂、狭小、密闭、腐蚀与电磁干扰环境下多参量一体化的光纤传感在线监测系统，采用FBG阵列传感技术结合FBG混合复用技术，能够建立从单体电池、模组、簇甚至到储能系统的多参量一体化、分布式的光纤传感监测网络。利用这些参量数据从而预估储能电池的SOH、SOC和RUL。
进一步地，所述FBG阵列传感技术为低反射率FBG阵列传感技术。能够实现在一根光纤上复用上万个光栅，满足大型储能系统监测参量种类多、点位数量庞大的应用需求。
进一步地，所述FBG混合复用技术包括波分复用、时分复用和空分复用相结合的混合复用技术。能够实现多类传感信号大容量、高速的传输和处理，从而能够建立从单体电池、模组、簇到储能系统的多参量一体化、分布式的光纤传感监测网络。
本发明涉及一种应用于储能电池内部多参量同时在线监测的光纤传感系统及方法，特别是在方形铝壳磷酸铁锂电池内部复杂、狭小、密闭、腐蚀与电磁干扰环境下对温度、应变、压力、电流、电压以及气体成分和浓度等多种参量的一体化在线监测系统及方法。本系统的组成主要包括基于光纤光栅(FBG)的温度、应变、压力、电流、电压以及气体等多类传感器，FBG解调仪，计算机，传输光纤等。由于多类参量传感器均是基于FBG设计的，因此，可以将这些传感器串在同一根光纤上传输，并且可以大量复用，建立从单体电池、模组、簇甚至到储能系统的多参量一体化、分布式的光纤传感监测网络。系统具有结构简单、占用空间小、抗电磁干扰、耐腐蚀、多种参量一体化、分布式同时测量等优点，能够实时储能电池内部多种参量的状态，以此判断锂电池电荷量、健康状况、剩余寿命等。
本发明的有益效果如下：
该储能电池监测系统采用低反射率FBG阵列传感技术，将温度、应变、压力、电流、电压以及气体等多种FBG传感器串连在同一根光纤上，然后经过信号传输系统、解调系统、计算机，组成一个从单体电池、模组、簇到储能系统的多参量一体化光纤分布式传感监测网络，具有布置简单、占用空间小、抗电磁干扰、抗腐蚀、防爆、频带宽、损耗低、精度较高等特点，实时监测储能系统各单体电池内部多种参量的状态，预估电池的健康状况、剩余电荷量和剩余寿命，提高储能系统运行的高效性、安全性和稳定性，提前对安全隐患做出预警，防止安全事故的发生。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是电池内部传感器布置的正面剖视图；
图3是电池内部的左侧剖视图；
其中：1-计算机；2-解调仪；3-单体储能电池；4-传输光纤；31-右电芯；32-左电芯；33-正电极；34-负电极；35-防爆阀；36-右光纤连接法兰；37-左光纤连接法兰；301-温度传感器；302-压力传感器；303-应变传感器；304-电压传感器；305-电流传感器；306-气体传感器；307-内部传输光纤；311-正右极耳；312-负右极耳；321-正左极耳。
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，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此外所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都将属于本发明保护的范围。
如图1所示，以方形铝壳磷酸铁锂电池为例，基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统及方法，主要包括计算机1，解调仪2，单体储能电池3，传输光纤4。解调仪2内部集成了光源、光纤耦合器、光探测单元、信号解调模块、数据处理模块等，单体储能电池3内部集成了多类FBG传感器，并且分布同一根光纤上，多类传感器检测到对应参量的变化量均被转化为光栅中心波长的变化量，解调仪2内部光探测单元采集到包含光栅中心波长漂移量信息的光谱，经信号解调模块解调出光栅的位置和波长信息，再将解调后的信号送入数据处理单元中进行数据处理，就可以得到储能电池内部多种参量的数据并实时显示在计算机1上。
大型储能系统内部由成百个上千个单体电池组成，每个电池内部又需要多种传感器，因而，大型储能系统成千上万个监测点的需要，本发明采用低反射率FBG阵列传感技术，结合波分、时分和空分混合复用技术，能够实现整个储能系统的多参量一体化、分布式在线监测。
图1所示的是单通道的储能电池监测系统，光纤连接法兰36和37可以将多个单体电池通过传输光纤4连接起来，这样整条线路上的传感器将会在一条光路上传输。
结合图2和图3，可以看到方形铝壳磷酸铁锂电池的内部结构以及多参量传感器的布置方法。电池内部温度传感器301、压力传感器302、应变传感器303，电压传感器304、电流传感器305、气体传感器306由内部传输光纤307串接在一起，传输光纤307的两端分别由光纤连接法兰36、37引入和引出。温度传感器301布置在温度变化最为明显的正右(左)极耳311和负右(左)极耳312附近，用于测量极耳处的温度变化；应变传感器303布置在应变变化量最大的右电芯31和左电芯32的外侧；压力传感器302布置在电池内部空间相对较大的顶壳与电芯之间的空隙处，用于测量电池内部气压；电流传感器305连接正右(或左)极耳311与正(负)电极33，用于测量两块电芯的充放电电流；电压传感器连接正右(左)极耳311于负右(左)极耳312，用于测量两块电芯的充放电电压；气体传感器306也布置在顶壳与电芯之间，用于测量电解液反应产生的气体成分浓度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统，其特征在于：包括计算机、解调仪和单体储能电池或模组或簇或储能系统，单体储能电池或模组或簇或储能系统通过传输光纤串联后与解调仪的信号输入端连接，解调仪的信号输出端与计算机的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统，其特征在于：所述单体储能电池内设有串联在同一根光纤上的温度传感器、压力传感器、应变传感器、电压传感器、电流传感器和气体传感器。
3.根据权利要求2所述的一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统，其特征在于：所述温度传感器、压力传感器、应变传感器、电压传感器、电流传感器和气体传感器均为FBG传感器。
4.根据权利要求3所述的一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统，其特征在于：所述温度传感器与单体储能电池的正、负极耳相邻，应变传感器布置在单体储能电池的电芯应变变化量最大的两侧，压力传感器布置在单体储能电池内部空间相对较大的顶壳与电芯之间的空隙处，电压传感器与单体储能电池的正、负极耳连接，电流传感器与单体储能电池的正极耳与正电极或负极耳与负电极连接，气体传感器布置在单体储能电池的顶壳与电芯之间。
5.根据权利要求4所述的一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统，其特征在于：所述单体电池、模组、簇到储能系统的串接方式采用具有密封性的光纤连接法兰连接。
6.一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测方法，其特征在于：包括如下步骤：单体储能电池内部多种参量传感器串在同一根光纤上传输，采集温度、应变、压力、电流、电压以及气体成分和浓度等多种信号，然后通过FBG解调仪进行信号解调，最后将解调信号传输给计算机，从而建立适用于储能电池内部复杂、狭小、密闭、腐蚀与电磁干扰环境下多参量一体化的光纤传感在线监测系统，采用FBG阵列传感技术结合FBG混合复用技术，能够建立从单体电池、模组、簇甚至到储能系统的多参量一体化、分布式的光纤传感监测网络。
7.根据权利要求6所述的一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测方法，其特征在于：所述FBG阵列传感技术为超低反射率FBG阵列传感技术。
8.根据权利要求6所述的一种基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测方法，其特征在于：所述FBG混合复用技术包括波分复用、时分复用和空分复用相结合的混合复用技术。
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