CN114813601B - 一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，是一种基于光热干涉技术和液芯光子晶体光纤的气体原位检测系统。包括：光源模块、传感模块、数据采集模块。光源模块主要包括泵浦光激光器、探测光激光器、半导体光放大器等，并引入双泵浦光波长差分法以降低电池故障中伴生超声信号干扰。传感模块主要基于马赫增德尔干涉仪结构，液芯光子晶体光纤内置于锂电池内部作为气体传感元件，并在马赫增德尔干涉仪传感臂中引入光纤环腔结构以增大探测光在液芯光子晶体光纤内累积相位调制信息。数据采集模块，主要包括平衡光电探测器、采集卡和计算机。通过此系统，可实现电池内部气体含量直接检测，具有灵敏度高、稳定性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于光学传感系统技术领域，具体而言，涉及一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统。
背景技术
锂离子电池因其重量轻、功率密度高、充电速度快以及使用寿命长等优点而被广泛应用于动力、储能、车辆工程等产业。然而锂离子电池在使用或储存中，由于电池过充过放、内部微短路等现象将导致电池热失控。此时由于高温将引起固体电解质界面膜分解以及电解液的氧化分解，进而产生大量易燃气体，锂离子电池的安全性面临更为严重的挑战。
目前主要通过对外部电压、电流以及温度进行监测以实现锂离子电池的安全管理。但电池热失控早期阶段外部电压、电流以及温度异常变化微小，监测普遍响应不及时、预警效果差，锂离子电池爆燃现象仍时有发生。因此需要对分解产生的易燃气体进行监测，以避免故障进一步发展。
研究表明CH4、C2H4、C2H6、CO2、CO等气体是锂离子电池热失控中最常见的特征气体。目前，随学科间的交叉发展，光学气体检测方法因其抗强电磁干扰能力强、检测速度快、精度高等优势而得到飞速发展。但现有应用于锂离子电池状态监测的气体光学检测技术均在电池外部开展，难以快速反映电池内部气体含量。
目前若对电池内部气体直接进行光学检测，存在如下问题。
（1）需要在锂离子电池上下端开孔并安装光学透镜，结构复杂。
（2）激光在液体环境内直接传输发散严重，无法进行痕量气体检测。
（3）锂离子电池内部发生故障时常伴随有超声信号的产生，将对光学气体检测结果产生严重干扰。
（4）锂离子电池内部结构紧凑，且故障早期分解产生气体含量少，如何实现痕量气体高精度检测尚不明确。
针对上述问题，有必要提出一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，以实现锂离子电池热失控的早期预警。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，其特征在于，由光源模块、传感模块、数据采集模块构成。光源模块主要包括泵浦光激光器、探测光激光器、半导体光放大器等，并引入双泵浦光波长差分法以降低电池故障中伴生超声信号干扰。传感模块主要基于马赫增德尔干涉仪结构，液芯光子晶体光纤内置于锂离子电池内部作为气体传感元件；在马赫增德尔干涉仪传感臂中引入光纤环腔以增大探测光在液芯光子晶体光纤内累积相位调制信息；在马赫增德尔干涉仪参考臂中引入声光调制器以降低系统1/f噪声干扰；马赫增德尔干涉仪传感臂与参考臂内激光在2×2光纤耦合器处发生干涉。数据采集模块，主要包括平衡光电探测器、采集卡和计算机。
所述光源模块中，泵浦光激光器用于输出激光强度周期性调制窄线宽激光，该激光依次经过光隔离器以及半导体光放大器，并通过光环形器入射进入液芯光子晶体光纤内。泵浦光激光器依次输出两波长差不超过1nm的激光，一激光波长位于特征气体吸收谱线最强处，另一激光波长位于特征气体吸收谱线最弱处，分别进行气体检测。
优选地，所述泵浦光激光器的输出功率典型值大于5mW，线宽不大于3MHz。该泵浦光激光器可通过改变驱动电流实现输出激光强度的周期性调制，且最大调制频率不小于25kHz；可通过改变泵浦光激光器温度实现不同波长激光的输出，且波长差不大于1nm。
优选地，所述半导体光放大器可放大波长范围为1500~1670nm的激光，饱和输出光功率不小于20dBm，最大增益不小于25dB，并且工作于自动增益控制模式，用于放大强度调制后的泵浦光。
所述传感模块主要基于马赫增德尔干涉结构，马赫增德尔干涉仪传感臂由包含有液芯光子晶体光纤的光纤环腔构成，马赫增德尔干涉仪参考臂中引入声光调制器。探测光激光器输出窄线宽探测光经过1×2光纤耦合器进入马赫增德尔干涉仪结构，并在2×2光纤耦合器处发生干涉。
优选地，所述探测光激光器输出激光波长位于特征气体吸收谱线最弱处，线宽不大于20kHz。
所述光纤环腔包括光纤环形器、1×2光纤耦合器、液芯光子晶体光纤、光隔离器、掺铒光纤放大器，探测光在光纤环腔内多次传播，用于累计更多的光相位调制信息。
优选地，所述掺铒光纤放大器可放大C波段激光，饱和输出光功率不小于1dBm，最大增益不小于10dB，并且可工作于自动增益控制模式，用于放大在光纤环腔内传播的探测光。
所述液芯光子晶体光纤内置于锂离子电池内部阴极与阳极之间的电解液中，表面加工有深至中央芯区的微通道，电解液以及锂离子电池内部产生的气体分子可以通过微通道进入液芯光子晶体光纤中央芯区。强度调制后的泵浦光在中央芯区与特征气体分子相互作用，激发光热效应。
优选地，所述液芯光子晶体光纤由HC-1550-02型空心光子晶体光纤制备而成，长度不小于0.2m，且液芯光子晶体光纤两端均与单模光纤熔融连接。
优选地，所述液芯光子晶体光纤表面加工有微通道，微通道尺寸不超过5μm，相邻两微通道间距不大于4cm，以保证液芯光子晶体光纤光传输性能以及纤芯内外待测特征气体交换需求。
优选地，所述声光调制器频移量不低于40MHz。
优选地，所述1×2光纤耦合器以及2×2光纤耦合器的分光比均为50:50。
所述数据采集模块中平衡光电探测器依次将不同波长泵浦光作用下的干涉光转换为电信号，采集卡将采集得到电信号传输至计算机进行傅里叶变化，并将傅里叶变化结果作差。
相比现有技术，本发明具有的有益效果如下。
（1）内部气体直接测量。本发明中使用表面加工有微通道的液芯光子晶体作为传感元件，该液芯光子晶体光纤直接内置于锂离子电池内部阴极与阳极之间的电解液内，电池内产生的特征气体可以进出液芯光子晶体光纤中央芯区，可以对电池内部气体直接测试。
（2）最小检测限低。本发明中在传感模块引入了光纤环腔结构，探测光可以在光纤环腔内多次传播，在液芯光子晶体光纤长度一定的条件下累计更多的光相位调制信息，达到不低于10ppm量级的电池内部特征气体的直接检测。
（3）抗干扰能力强。本发明将光热光谱技术与外差干涉结构相结合，降低检测系统1/f噪声干扰；引入双泵浦光波长差分法，降低外界低频振动、温度变化等干扰，并对高频超声信号进行抑制，显著提高检测精度，检测误差不超过5%或±4ppm。
附图说明
图1为锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统示意图。
图2为用于气体检测的液芯光子晶体光纤示意图。
图3为光热光谱技术原理图。
图4为传感元件布置位置示意图。
具体实施方式
本发明提供一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，下面结合附图予以说明。
参见图1，本发明实施例提供了一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，包括泵浦光激光器、光隔离器1、半导体光纤放大器、光环形器、探测光激光器、光隔离器2、1×2光纤耦合器1、1×2光纤耦合器2、液芯光子晶体光纤、掺铒光纤放大器、光隔离器3、声光调制器、2×2光纤耦合器、平衡光电探测器、采集卡以及计算机。
参见图1，光纤环腔由1×2光纤耦合器2、液芯光子晶体光纤、光环形器、1×2光纤耦合器3、掺铒光纤放大器、光隔离器3构成。
参见图1，泵浦光激光器首先输出波长位于吸收谱线最强处的窄线宽泵浦光，并且激光强度周期性调制。调制泵浦光通过光隔离器1后进入半导体光放大器以恒定增益倍数放大，随后依次通过光环形器的1端口与2端口入射液芯光子晶体光纤。该调制泵浦光被扩散进入液芯光子晶体光纤内的特征气体分子吸收，诱发光热效应，导致中央芯区内温度周期性变化。探测光激光器输出的探测光依次经过光隔离器2以及1×2光纤耦合器1后分别进入马赫增德尔干涉仪的传感臂与参考臂中。其中，包含有液芯光子晶体光纤的光纤环腔位于马赫增德尔干涉仪的传感臂内，声光调制器位于马赫增德尔干涉仪的参考臂内。由1×2光纤耦合器2进入光纤环腔的探测光通过液芯光子晶体光纤，随后依次通过光环形器的2端口与3端口并进入1×2光纤耦合器3，部分探测光继续在光纤环腔内传播，另一部分探测光进入2×2光纤耦合器并与参考臂光信号发生干涉。该继续在光纤环腔内传播的探测光被掺铒光纤放大器以恒定增益倍数放大，随后经过光隔离器3并再次通过1×2光纤耦合器2。在光纤环腔内传播的探测光多次通过液芯光子晶体光纤，进而多次累计泵浦光诱发的光相位调制信息。2×2光纤耦合器处的干涉光最终被光电探测器接收并转化为电信号被数据采集卡采集，经计算机编程处理后解调得到相位调制信息。
完成上述检测后改变泵浦光激光器输出波长，且波长差不大于1nm，此时泵浦光波长不再位于特征气体吸收谱线最强处，再次开展上述气体检测过程。将两不同波长泵浦光作用下得到的检测结果作差，得到仅由特征气体吸收引起的光相位调制变化结果。
参见图2，本发明所述液芯光子晶体光纤由HC-1550-02型空心光子晶体光纤制备而成。液芯光子晶体光纤表面沿轴向方向均匀加工有深至中央芯区的微通道，并且液芯光子晶体光纤两端与单模光纤通过熔接方式对接。将该液芯光子晶体光纤内置于锂离子电池阴极与阳极之间的电解液内，电解液将仅填充液芯光子晶体光纤中央芯区以及被微通道贯穿的包层空气孔。当锂离子电池内部分解产生气体后，气体因中央芯区内外气体浓度差而通过微通道扩散进入中央芯区。
参见图3，本发明所述光热干涉技术是一种基于光热效应的气体光谱检测技术。液芯光子晶体光纤中央芯区内特征气体吸收特定波长的强度调制泵浦光后将引起环境温度的微小周期性变化。探测光在该液芯光子晶体光纤内传播时光相位将以同样的周期变化。通过对探测光相位调制信息进行检测可以反映待测特征气体浓度，并且通过合理选择泵浦光波长可以实现多种特征气体的高灵敏度检测。
参见图4，本发明所述液芯光子晶体光纤内置于锂离子电池阴极与阳极之间。通过此布置方式可实现电池内部气体含量直接检测，有利于锂离子电池热失控的早期及时预警。
Claims (5)
1.一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，其特征在于，由光源模块、传感模块、数据采集模块构成；光源模块主要包括泵浦光激光器、光隔离器1、半导体光放大器、光环形器、探测光激光器、光隔离器2、1×2光纤耦合器1；传感模块主要基于马赫增德尔干涉仪结构，液芯光子晶体光纤作为气体传感元件位于马赫增德尔干涉仪结构传感臂中，并内置于锂离子电池内部；在马赫增德尔干涉仪传感臂中引入光纤环腔以增大探测光在液芯光子晶体光纤内累积相位调制信息；在马赫增德尔干涉仪参考臂中引入声光调制器以降低系统1/f噪声干扰；马赫增德尔干涉仪传感臂与参考臂内激光在2×2光纤耦合器处发生干涉；数据采集模块，主要包括平衡光电探测器、采集卡和计算机；
所诉液芯光子晶体光纤表面加工有尺寸不超过5μm的微通道，液芯光子晶体光纤内置于锂离子电池阴极与阳极之间的电解液内，液芯光子晶体光纤中央芯区以及被微通道贯穿的包层空气孔填充有电解液；
所述光纤环腔由液芯光子晶体光纤、掺铒光纤放大器、光隔离器3、1×2光纤耦合器2以及1×2光纤耦合器3构成； 由1×2光纤耦合器2进入光纤环腔的探测光通过液芯光子晶体光纤，随后依次通过光环形器的2端口与3端口并进入1×2光纤耦合器3，探测光被分为两束，一束探测光继续在光纤环腔内传播，另一束探测光不再在光纤环腔内传播并进入2×2光纤耦合器；该继续在光纤环腔内传播的探测光被掺铒光纤放大器以恒定增益倍数放大，随后经过光隔离器3并再次通过1×2光纤耦合器2；在光纤环腔内传播的探测光多次重复上述传播过程。
2.根据权利要求1所述一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，其特征在于，所述液芯光子晶体光纤由HC-1550-02型空心光子晶体光纤制备而成，长度不小于0.2m，且液芯光子晶体光纤两端均与单模光纤熔融连接，相邻两微通道间距不大于4cm。
3.根据权利要求1所述一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，其特征在于，利用双泵浦光波长差分法提高检测系统可靠性；泵浦光激光器可通过改变驱动电流实现输出激光强度的周期性调制，并通过改变激光器温度实现不同波长激光的输出，且波长差不大于1nm，泵浦光激光器输出波长范围内包含有特征气体吸收谱线最强处对应波长；利用不同波长泵浦光分别进行气体检测，将不同波长泵浦光作用下得到的检测结果作差。
4.根据权利要求1所述一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，其特征在于，所述半导体光放大器可放大波长范围为1500~1670nm的激光，饱和输出光功率不小于20dBm，最大增益不小于25dB，并且工作于自动增益控制模式，用于放大强度调制后的泵浦光。
5.根据权利要求1所述一种用于锂离子电池内部易燃气体原位检测的光纤检测系统，其特征在于，所述掺铒光纤放大器可放大C波段激光，饱和输出光功率不小于1dBm，最大增益不小于10dB，并且可工作于自动增益控制模式，用于放大在光纤环腔内传播的探测光。
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- 2022-05-19 CN CN202210542243.2A patent/CN114813601B/zh not_active Expired - Fee Related
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