CN114421037A - 测量电池内部温度和应变的装置、方法及电池 - Google Patents
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Abstract
一种测量电池内部温度和应变的装置、方法及电池，该装置包括光纤布拉格光栅传感器及电池内固定结构，该传感器包括第一和第二布拉格光栅，被预拉好的第一布拉格光栅的两端分别通过电池内固定结构固定在电池的壳体内壁上，第二布拉格光栅的一端通过电池内固定结构固定在电池的壳体内壁上，而另一端处于自由状态；其中，通过第一布拉格光栅采集由电池内部的温度变化和应变共同产生的第一波长偏移量，通过第二布拉格光栅采集仅由电池内部的温度变化产生的第二波长偏移量；其中，电池内部的温度变化根据第二波长偏移量确定，电池内部的应变根据第一波长偏移量和第二波长偏移量共同确定。该装置能够准确可靠地对电池内部的温度和应变进行测量。
Description
技术领域
本发明涉及测量电池内部温度和应变的装置、方法及电池。
背景技术
锂离子电池具有高能量密度、宽工作温度范围、长使用寿命的特点，已在电力储能电源、移动通信电源、新能源储能动力电源、航天军工电源、交通动力电源等取得了广泛的应用。
然而，在实际应用过程中，由于实际运行环境复杂多变，使得电池性能、循环寿命变差，甚至电池出现热失控现象，引发电池起火燃烧、爆炸等灾难性事件，严重威胁人身安全和造成重大的经济损失。
目前，电动汽车上的电池性能管理，健康诊断和极端条件下的保护均由电池管理系统(BMS)完成，因此，BMS的稳定、高效运行对电动汽车至关重要。BMS的功能目前严重依赖于电池电压、电流和温度参数的精确测量。然而，近年来越来越多的电池事故表明BMS表现得“失效”，无法及时预警灾难性故障的发生。这其中很重要的一个原因就是BMS中使用的传感器均是基于电气连接，具有体积大，布线复杂，易受电磁干扰，难以集成到电池内部等特点。也就是说，BMS只能测量到电池表面的物理量，无法真实监控到电池内部的物理量如温度和应变。
根据欧盟Horizon 2020研究与创新计划：《Battery 2030+》中提及尽管监测温度与应变对于提高电池循环寿命和寿命至关重要，但目前难以直接测量电动汽车中电池单体内部的温度与应变。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种测量电池内部温度和应变的装置、方法及电池。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种测量电池内部温度和应变的装置，包括光纤布拉格光栅传感器以及电池内固定结构，所述光纤布拉格光栅传感器包括第一布拉格光栅和第二布拉格光栅，被预拉好的所述第一布拉格光栅的两端分别通过所述电池内固定结构固定在所述电池的壳体内壁上，所述第二布拉格光栅的一端通过所述电池内固定结构固定在所述电池的壳体内壁上，而另一端处于自由状态；其中，通过所述第一布拉格光栅采集由所述电池内部的温度变化和应变共同产生的第一波长偏移量，通过所述第二布拉格光栅采集仅由所述电池内部的温度变化产生的第二波长偏移量；其中，所述电池内部的温度变化根据所述第二波长偏移量确定，所述电池内部的应变根据所述第一波长偏移量和所述第二波长偏移量共同确定。
进一步地：
所述电池内固定结构为耐电解液腐蚀的高分子聚合物材料。
所述高分子聚合物材料为聚酰亚胺薄膜，在所述第一布拉格光栅的两端以及所述第二布拉格光栅的固定端涂覆聚酰胺酸溶液经热固化形成所述聚酰亚胺薄膜；优选地，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为50-110μm。
所述光纤布拉格光栅传感器形成在一根光纤上。
所述一根光纤包括连接于所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅之间的中间段，经过所述中间段的弯曲回转以使得所述第二布拉格光栅靠近所述第一布拉格光栅。
所述电池的盖板上设置有植入孔，所述光纤布拉格光栅传感器通过所述植入孔植入所述电池内部；优选地，所述盖板为电池的正极盖板。
还包括安装在所述植入孔上的金属套管，所述光纤布拉格光栅传感器与所述金属套管之间通过胶密封连接，所述金属套管与所述植入孔之间通过激光点焊密封连接。
所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅具有聚酰亚胺涂覆层。
一种电池，具有所述的测量电池内部温度和应变的装置。
一种测量电池内部温度和应变的方法，使用所述的测量电池内部温度和应变的装置测量电池内部温度和应变。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种测量电池内部温度和应变的装置，利用光纤布拉格光栅传感器实现对电池内部温度和应变的测量，该装置包括固定于电池的内壁的两个光纤布拉格光栅，其中，通过被预拉好的第一布拉格光栅采集由电池内部的温度变化和应变共同产生的第一波长偏移量，通过第二布拉格光栅采集仅由电池内部的温度变化产生的第二波长偏移量，根据第二波长偏移量确定电池内部的温度变化，根据第一波长偏移量和第二波长偏移量共同确定电池内部的应变。从而，本发明通过检测电池在充放电过程中的“呼吸”作用对电池壳体产生的应变以及电池内部的温度变化对光纤光栅布拉格波长造成的变化，利用电池内部应变/温度变化与光纤布拉格光栅波长偏移量之间的转化，达到了利用光纤布拉格光栅传感器测量电池内部应变的目的。
本发明优选实施例还可以获得更多的优点。例如，在优选方案中，通过聚酰亚胺成膜技术将光纤光栅方便可靠地固定于电池的内壁。在优选方案中，用聚酰亚胺涂覆层对布拉格光栅进行保护，极大保护了光纤光栅和提高了光纤布拉格光栅传感器的耐电解液腐蚀能力以及抗拉能力。
附图说明
图1为本发明一种实施例的测量电池内部温度和应变的装置安装在电池中的结构示意图。
图2为本发明一种实施例的电池的主体结构的分解示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1，本发明实施例提供一种测量电池内部温度和应变的装置，包括光纤布拉格光栅传感器1以及电池内固定结构，所述光纤布拉格光栅传感器1包括第一布拉格光栅FBG1和第二布拉格光栅FBG2，被预拉好的所述第一布拉格光栅FBG1的两端分别通过所述电池内固定结构固定在所述电池3的壳体内壁上，所述第二布拉格光栅FBG2的一端通过所述电池内固定结构固定在所述电池3的壳体内壁上，而另一端处于自由状态；其中，通过所述第一布拉格光栅FBG1采集由所述电池内部的温度变化和应变共同产生的第一波长偏移量，通过所述第二布拉格光栅FBG2采集仅由所述电池内部的温度变化产生的第二波长偏移量；其中，所述电池内部的温度变化根据所述第二波长偏移量确定，所述电池内部的应变根据所述第一波长偏移量和所述第二波长偏移量共同确定。
由于所述第二布拉格光栅FBG2仅一端固定在电池的壳体内壁上，而另一端处于自由状态，因此所述第二布拉格光栅FBG2仅受到电池内部温度的影响而不会受到电池内部应变的影响，根据所述第二布拉格光栅FBG2采集的第二波长偏移量即可以直接测量所述电池内部的温度变化。由于被预拉好的所述第一布拉格光栅FBG1的两端均固定在所述电池的壳体内壁上，因此所述第一布拉格光栅FBG1同时受到电池内部温度和应变的影响，而通过比较所述第一布拉格光栅FBG1和所述第二布拉格光栅FBG2两者的波长偏移量，即可以消除温度对所述第一布拉格光栅FBG1的影响，得到只有应变对所述第一布拉格光栅FBG1引起的波长偏移量。
由此，本发明通过检测电池在充放电过程中的“呼吸”作用对电池壳体产生的应变以及电池内部的温度变化对光纤光栅布拉格波长造成的变化，利用电池内部应变/温度变化与光纤布拉格光栅波长偏移量之间的转化，达到了利用光纤布拉格光栅传感器测量电池内部应变的目的。
在优选的实施例中，所述电池内固定结构为耐电解液腐蚀的高分子聚合物材料。
在一个优选的实施例中，所述高分子聚合物材料为聚酰亚胺薄膜401-403，在所述第一布拉格光栅FBG1的两端以及所述第二布拉格光栅FBG2的固定端滴入聚酰胺酸溶液经热固化形成所述聚酰亚胺薄膜401-403。优选地，所述聚酰亚胺薄膜401-403的厚度为50-110μm。通过聚酰亚胺成膜技术能够将光纤布拉格光栅方便可靠地固定于电池3的内壁上。
参阅图1，在优选的实施例中，所述光纤布拉格光栅传感器1形成在一根光纤上，但本发明不排除使用多根光纤来设置第一布拉格光栅FBG1和第二布拉格光栅FBG2。
参阅图1，在更优选的实施例中，所述一根光纤包括连接于所述第一布拉格光栅FBG1和所述第二布拉格光栅FBG2之间的中间段，经过所述中间段的弯曲回转以使得所述第二布拉格光栅FBG2靠近所述第一布拉格光栅FBG1。
参阅图1和图2，在优选的实施例中，所述电池的盖板上设置有植入孔30101，所述光纤布拉格光栅传感器1通过所述植入孔30101植入所述电池内部；优选地，所述盖板为电池的正极盖板301。
参阅图1和图2，在优选的实施例中，所述装置还包括安装在所述植入孔30101上的金属套管2，所述光纤布拉格光栅传感器1与所述金属套管2之间通过胶密封连接，所述金属套管2与所述植入孔30101之间通过激光点焊密封连接。
在优选的实施例中，所述第一布拉格光栅FBG1和所述第二布拉格光栅FBG2具有聚酰亚胺涂覆层。使用聚酰亚胺涂覆层对布拉格光栅进行保护，极大保护了光纤光栅和提高了光纤布拉格光栅传感器1的耐电解液腐蚀能力以及抗拉能力
本发明实施例还提供一种测量电池内部温度和应变的方法，使用前述任一实施例所述的测量电池内部温度和应变的装置测量电池内部温度和应变。
参阅图1和图2，本发明实施例还提供一种电池，其具有电池的本体结构以及前述任一实施例所述的测量电池内部温度和应变的装置。
以下进一步描述本发明具体实施例。
在一些实施例中，电池系统组成包括光纤布拉格光栅传感器1、金属套管2、聚酰亚胺薄膜401-403和电池3；光纤布拉格光栅传感器1包含第一布拉格光栅FBG1和所述第二布拉格光栅FBG2，电池3包含正极盖板301、金属壳302、极片堆304、电解液305、负极盖板303；正极盖板301上含植入孔30101、正极极柱30102和注液孔30103，负极盖板303上含防爆阀30301和负极极柱30302。通过聚酰亚胺成膜技术将第一布拉格光栅FBG1和所述第二布拉格光栅FBG2固定于电池3的金属壳302内壁，在充放电过程中利用电池3中极片堆的“呼吸”作用对电池中金属壳内壁产生应变来影响光纤光栅布拉格波长，从而实现电池内部应变与光纤布拉格光栅波长偏移量之间的转化，达到利用光纤布拉格光栅传感器测量电池内部应变的目的。
在一些实施例中，光纤布拉格光栅传感器1与金属套管2之间采用353ND胶密封连接，金属套管2与植入孔30101之间采用激光点焊密封连接。为了测量的一致性，光纤布拉格光栅传感器1的两个布拉格光栅FBG1和FBG2的空间距离设置得足够近。布拉格光栅FBG1被预拉好且两端分别用聚酰亚胺薄膜401和聚酰亚胺薄膜402固定在金属壳302内壁，用于检测电池3内部的温度和应变；布拉格光栅FBG2一端用聚酰亚胺薄膜403固定，另一端处于自由状态，仅用于检测电池3内部的温度。聚酰亚胺薄膜401-403(优选地，厚度50-110μm)是通过往金属壳302内壁相应位置注入少量的聚酰胺酸溶液，再经热固化工艺后在金属壳302内壁形成聚酰亚胺薄膜。发明人通过实验和分析发现，利用此成膜技术可完全固定光纤，可靠性好且固定工艺方便。此外，光纤布拉格光栅FBG1和FBG2均被二次涂覆，涂覆层为聚酰亚胺薄层，用于保护光纤光栅和提高其耐电解液305腐蚀能力以及抗拉能力。
在充放电过程中利用电池3中极片堆304的“呼吸”作用对电池3中金属壳302内壁产生应变来线性影响光纤光栅布拉格波长，从而实现电池3内部应变与光纤布拉格光栅波长偏移量之间的线性转化。
具体地，在充放电过程中，电池3内部的温度会发生明显变化，同时，电池3中的极片堆304由于锂离子的脱出和嵌入会产生“呼吸”作用，此“呼吸”作用会对电池3的金属壳302产生应变。被预拉好且两端固定在金属壳302的布拉格光栅FBG1通过波长的偏移量能够同时“感受”到上述温度和应变，而布拉格光栅FBG2在一端被固定另一端处于自由状态的配置下通过波长的偏移量仅能“感受”到上述温度的变化。通过比较布拉格光栅FBG1和FBG2两者的波长偏移量，可以消除温度对布拉格光栅FBG1的影响，得到只有应变对布拉格光栅FBG1引起的波长偏移量。通过此原理，可实现电池3内部应变与布拉格光栅FBG1波长偏移量之间的转化，且这种转化是线性的。
在一些实施例中，光纤布拉格光栅传感器的制作方法如下：
第一步将普通单模光纤进行载氢处理。具体做法是将光纤置于高压(10Mpa)的氢气罐内，并保持两周左右。在此过程氢分子会逐渐扩散到光纤的包层和纤芯中。
第二步借助准分子激光器和相位掩膜板刻写光栅。具体做法是先将载氢后的光纤局部剥去涂覆层(剥纤长度约12-15mm)，再将光纤放置在相位掩膜板后(剥纤处正对相位掩膜板)，利用准分子激光器发出激光，激光通过扩束镜和聚光镜片作用后到照射到相位掩膜板，通过掩膜板后，形成衍射光束，照射到光纤纤芯，纤芯被照部分中的氢分子立即与锗发生化学反应形成Ge-OH键和Ge-H键，从而使该部分的折射率发生永久性的增加。以上步骤即为光纤光栅刻写过程。
第三步对光纤光栅进行后续处理。具体包括：1)放入温度箱内进行高温长时间(120℃保持24小时)退火操作，用于排净载氢时在光纤内留存的氢气，使光纤光栅光学性能稳定；2)对局部剥去涂覆层的光纤区域(即光栅处)，进行二次涂覆(涂覆层为聚酰亚胺薄层)，用于保护光纤光栅和提高其耐电解液305腐蚀能力以及抗拉能力；3)测试刻写好的光纤光栅，包括中心波长、反射率、3dB带宽、边模抑制比，挑选出高质量的光纤光栅作为光纤布拉格光栅传感器。
参考图1，在一个具体实施例中，布拉格光栅FBG1的预拉操作如下：先将光纤布拉格光栅传感器1斜铺在金属壳302内壁，往金属壳302内壁某点铺有光纤的位置注入少量的聚酰胺酸溶液，再经热固化工艺后，在金属壳302内壁形成聚酰亚胺薄膜401，经上述操作后布拉格光栅FBG1一端被固定在金属壳302内壁，然后用夹具将金属壳302固定和布拉格光栅FBG1另一端夹住(可用滑块移动夹具底部)，实时在线监测FBG1波长的偏移量，当达到一定的偏移量，优选当偏移量在1-2nm时，再往金属壳302内壁另一点铺有光纤的位置注入少量的聚酰胺酸溶液，再经热固化工艺后，在金属壳302内壁形成聚酰亚胺薄膜402。通过实时监测波长偏移量的方式对布拉格光栅FBG1进行固定，能够让FBG1固定在金属壳302内壁时处于绷直状态，这样FBG1波长的变化更能真实反映金属壳302内壁真实的应变量。
完成上述操作后，将布拉格光栅FBG2的一端弯曲铺在金属壳302内壁，再往金属壳302内壁第三点铺有光纤的位置注入少量的聚酰胺酸溶液，经热固化工艺后，在金属壳302内壁形成聚酰亚胺薄膜403，至此就将布拉格光栅FBG1和FBG2固定在金属壳302内壁上。
参考图2，电池3由正极盖板301(包括植入孔30101，正极极柱30102和注液孔30103)、金属壳302、极片堆304、电解液305、负极盖板303(包括防爆阀30301和负极极柱30302)组成。
先将金属套管2与植入孔30101采用激光点焊焊接在一起，再将光纤布拉格光栅传感器1无布拉格光栅的一端从金属套管2引出，然后拉紧光纤拉格光栅传感器1的引出端，盖紧正极盖板301，利用353ND胶将光纤布拉格光栅传感器1与金属套管2密封连接在一起，再往金属壳302内塞入极片堆304，再盖紧负极盖板303，最后借助激光对正极盖板301、金属壳302、负极盖板303衔接处进行焊接操作，确保密封性。以上操作后再通过注液孔30103往电池3内部注入适量的电解液305，注好电解液305之后对注液孔30103进行激光焊接密封，确保电池3的整体密封性。
本发明实施例的工作原理为：在充放电过程中，电池3内部的温度会发生明显变化，同时，电池3中的极片堆304由于锂离子的脱出和嵌入会产生“呼吸”作用，此“呼吸”作用会对电池3的金属壳302产生应变。被预拉好且两端固定在金属壳302的布拉格光栅FBG1通过波长的偏移量能够同时“感受”到上述温度和应变，而布拉格光栅FBG2在一端被固定另一端处于自由状态的配置下通过波长的偏移量仅能“感受”到上述温度的变化。通过比较FBG1和FBG2两者的波长偏移量，可以消除温度对FBG1的影响，得到只有应变对FBG1引起的波长偏移量。通过此原理，可实现电池3内部应变与FBG1波长偏移量之间的转化，且这种转化是线性的。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。
Claims (10)
1.一种测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，包括光纤布拉格光栅传感器以及电池内固定结构，所述光纤布拉格光栅传感器包括第一布拉格光栅和第二布拉格光栅，被预拉好的所述第一布拉格光栅的两端分别通过所述电池内固定结构固定在所述电池的壳体内壁上，所述第二布拉格光栅的一端通过所述电池内固定结构固定在所述电池的壳体内壁上，而另一端处于自由状态；其中，通过所述第一布拉格光栅采集由所述电池内部的温度变化和应变共同产生的第一波长偏移量，通过所述第二布拉格光栅采集仅由所述电池内部的温度变化产生的第二波长偏移量；其中，所述电池内部的温度变化根据所述第二波长偏移量确定，所述电池内部的应变根据所述第一波长偏移量和所述第二波长偏移量共同确定。
2.如权利要求1所述的测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，所述电池内固定结构为耐电解液腐蚀的高分子聚合物材料。
3.如权利要求2所述的测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，所述高分子聚合物材料为聚酰亚胺薄膜，在所述第一布拉格光栅的两端以及所述第二布拉格光栅的固定端涂覆聚酰胺酸溶液经热固化形成所述聚酰亚胺薄膜；优选地，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为50-110μm。
4.如权利要求1至3任一项所述的测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，所述光纤布拉格光栅传感器形成在一根光纤上。
5.如权利要求4所述的测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，所述一根光纤包括连接于所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅之间的中间段，经过所述中间段的弯曲回转以使得所述第二布拉格光栅靠近所述第一布拉格光栅。
6.如权利要求1至5任一项所述的测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，所述电池的盖板上设置有植入孔，所述光纤布拉格光栅传感器通过所述植入孔植入所述电池内部；优选地，所述盖板为电池的正极盖板。
7.如权利要求6所述的测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，还包括安装在所述植入孔上的金属套管，所述光纤布拉格光栅传感器与所述金属套管之间通过胶密封连接，所述金属套管与所述植入孔之间通过激光点焊密封连接。
8.如权利要求1至7任一项所述的测量电池内部温度和应变的装置，其特征在于，所述第一布拉格光栅和所述第二布拉格光栅具有聚酰亚胺涂覆层。
9.一种电池，其特征在于，具有如权利要求1至8任一项所述的测量电池内部温度和应变的装置。
10.一种测量电池内部温度和应变的方法，其特征在于，使用如权利要求1至8任一项所述的测量电池内部温度和应变的装置测量电池内部温度和应变。
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