CN115377540A - 一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置及方法 - Google Patents

一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置及方法 Download PDF

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CN115377540A CN202210907044.7A CN202210907044A CN115377540A CN 115377540 A CN115377540 A CN 115377540A CN 202210907044 A CN202210907044 A CN 202210907044A CN 115377540 A CN115377540 A CN 115377540A
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刘洋鹏
秦腊
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Abstract

本发明公开一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置及方法，该装置包括微型布拉格光栅光纤组件、激光分光装置、多功能光纤、激光发射及光纤信号处理器，微型布拉格光栅光纤组件在正极与隔膜间或负极与隔膜间以螺旋式布置，调制分光玻璃层与纤芯成45°。所述的锂电池热失控内部多特征检测装置可用于检测热失控的极早期特征值，包括氢气、温度、压力。与现有技术相比，本发明具有测量精度高，测量维度多，可获知电池内部特征参数的空间分布特征，准确获取锂电热失控过程内部的空间分辨信息，为热失控的判定提供更立体、可靠的依据。

Description

一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置及 方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置及方法。
背景技术
如今锂电池已广泛应用于新能源动力、电化学储能以及数码电子领域，随着对锂电池能量密度要求的提高，其安全问题也日益突出。仅以锂电新能源汽车为例，由于动力电池热失控造成的火灾爆炸事故屡见报道，其热灾害的检测及早期预警显得尤为重要。目前，广泛使用电池管理系统对锂电池模组进行实时温度、电信号等数据的监控，但热失控早期的温升变化、气体产出却无法有效检测。
现有锂电池温度、气体等在线检测技术存在一定的局限性。例如，授权公告号为CN102593545公布的锂离子电池及其内部温度的测量方法、授权公告号为CN 111211377 公布的圆柱形锂离子电池温度监测系统及方法、授权公告号为CN111397751公布的锂离子动力电池内部温度测试方法及测试系统采用热电偶方式获取锂电池内外部温度，这种接触式测温方式在实际锂电内嵌中存在诸多限制。此外，授权公告号为CN105628248公布的锂电池内部温度的测量方法及装置，依据封装试温纸的颜色变化反应锂电内部温度，其温度精度和测试可靠度有待提高。授权公告号为CN110221212公布的锂离子电池内部温度动态在线测量方法提供了一种基于动态阻抗相位角计算新能源动力锂电池在刹车内温度变化的方法，该发明应用场景较为局限，同时也无法获知热失控过程锂电池内部参数的变化。
随着光纤光栅技术的发展，基于布拉格光纤光栅的锂电内部参数检测技术也逐步得到应用，诸如授权公告号为CN113218427公布的单体电池温度压力气体复合传感光纤探头及系统和应用，其光纤光栅传感器获取的是电池组内单体电池外部温度、压力及气体的检测，对于热失控早期的特征并不能很好地检测，尤其是缺少专门针对热失控早期产氢气的检测。授权公告号为CN113466701公布的基于FBG的储能电池内部多参量一体化在线监测系统及方法，其FBG传感器均布置于顶壳与电芯间，未能实现对电池正负极材料层间的实时在线检测。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提出一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置及方法,其利用测点反射光信号变化计算锂电池内部的温度、压力和产物氢气浓度，具有非接触、在线、高可靠性等特点。
本发明提出的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，包含微型布拉格光栅光纤组，通过光纤连接的激光分光装置和激光发射及光纤信号处理器；所述微型布拉格光栅光纤组包括纤芯、光纤布拉格光栅、包层、调制分光玻璃层、纵向测量保护窗、横向测量保护窗和涂层；所述微型布拉格光栅光纤组在正极与隔膜间或负极与隔膜间以螺旋式布置；所述激光发射及光纤信号处理器产生连续的激光束，激光沿着所述光纤传播到达所述激光分光装置，激光分光后进入所述微型布拉格光栅光纤组件，沿着所述纤芯传播经过所述布拉格光栅一部分发生反射，另外一部分到达所述调制分光玻璃层，分光后，一部分通过所述纵向测量保护窗，另外一部分通过所述横向测量保护窗；经过布拉格光栅反射的光信号被所述激光发射及光纤信号处理器接收，该激光发射及光纤信号处理器接收到的反射光的中心波长偏离程度反应电池内部温度高低、压力大小和氢气浓度。
进一步地，所述纤芯和包层采用石英材质，所述纵向测量保护窗和横向测量保护窗采用耐高温、耐腐蚀特种玻璃，纵向测量保护窗直径低于90μm。
进一步地，所述纤芯中心波长为1550nm。
进一步地，所述调制分光玻璃层，与纤芯成45°，分光比为1：(N+i-1)，N为纵向测量保护窗数量，i为当前纵向测量保护窗编号。
进一步地，所述涂层为含钯金属或三氧化钨材料的薄膜。
本发明还提出一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法，包括以下步骤：发射步骤，激光发射装置发射激光，激光沿着光纤传播经过激光分光装置到达微型布拉格光栅光纤组件；接收步骤，光纤信号处理器接受到两组不同的光信号，并且将光信号解调；判断步骤，数据采集终端接收光电探测器的光信号，测点处的温度、压力以及氢气浓度导致光纤产生形变，光信号的中心波长的偏移量可以分析得出温度、压力以及氢气浓度。
进一步地，上述基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法中，由探测光源发出的光束经激光分光装置，通过多功能光纤传播至带有微型布拉格光栅光纤组件的测量区域，氢气浓度会影响涂层的脱落/增加(取决于涂层性质)，产生轴向应变；温度会导致热胀冷缩以及压力的作用，进而影响通过光栅的反射光信号的中心波长，三者对通过光栅的中心波长的影响可以通过下列公式：
Figure BDA0003772815260000031
式中，Pe为光纤有效弹光系数，Δε为微型布拉格光栅光纤组件的轴向应变，αf为光纤材料的热膨胀系数，ξ为热光系数，αsub为热光系数涂层的热膨胀系数；
微型布拉格光栅光纤组件轴向应变Δε与环境中的氢气浓度、压力有关，氢气浓度增加时涂层产生的轴向应力增加；压力增加时微型布拉格光栅光纤组件先产生径向应变，进而产生轴向应变，其关系描述如下：
Figure BDA0003772815260000032
式中，Kp为传感器压力灵敏度，可以通过实验标定获得；ΔP为测点压力变化量；
Figure BDA0003772815260000033
为测点氢气浓度变化量；
Figure BDA0003772815260000034
轴应力与氢气浓度的表达式通过实验标定获得。
进一步地，为了同时求取温度、压力和氢气浓度三个量，需要同时使用三个微型布拉格光栅光纤组件(组件1、2、3)，微型布拉格光栅光纤不添加涂层，微型布拉格光栅光纤组件 1感受正应力，微型布拉格光栅光纤组件感受负应力，这样联立方程求解得到温度、压力和氢气浓度。
Figure BDA0003772815260000035
式中，λB,1,λB,2,λB,3分别为微型布拉格光栅光纤组件1、2、3原始反射光波长，ΔλB,1,ΔλB,2,ΔλB,3分别为微型布拉格光栅光纤组件1、2、3反射光的中心波长偏移量。
有益效果
本发明针对以上锂电池在线检测存在的局限性，创新地将光纤光栅进行设计，对锂电池正负极材料螺旋式布置的适配应用，实现在线检测锂电池正极与隔膜、负极与隔膜间热失控过程温度、压力及气体的实时检测。相较于现有技术，本发明具有测量精度高，测量维度多，可获知电池内部特征参数的空间分布特征，准确获取锂电热失控过程内部的空间分辨信息，为热失控的判定提供更立体、可靠的依据。
附图说明
图1为本发明实施案例中微型布拉格光栅光纤组件布置示意图；
图2为本发明实施案例中装置结构简化图；
图3为微型布拉格光栅光纤组件整体结构示意图；
图4为微型布拉格光栅光纤组件内部结构示意图
图中标记说明：1微型布拉格光栅光纤组；1-1纤芯；1-2光纤布拉格光栅；1-3包层；1-4调制分光玻璃层；1-5纵向测量保护窗；1-6横向测量保护窗；1-7涂层；2激光分光装置；3多功能光纤；4激光发射及光纤信号处理器。
具体实施方式
下面将参照附图并结合实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。应理解，所描述的实施例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。
具体实例描述如下：
如图2，3和4所示，基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，该装置包括：微型布拉格光栅光纤组1、通过光纤连接的激光分光装置2和激光发射及光纤信号处理器4，微型布拉格光栅光纤组1包括纤芯1-1、光纤布拉格光栅1-2；包层1-3；调制分光玻璃层1-4；纵向测量保护窗1-5；横向测量保护窗1-6；涂层1-7。其中纤芯1-1和包层 1-3使用石英玻璃为主体材料；纵向测量保护窗1-5和横向测量保护窗1-6，需采用耐高温、耐腐蚀的特种玻璃，纵向观察窗直径尺寸低于90μm；涂层需使用含钯金属或三氧化钨材料的薄膜，比如520nm Pd/Ag复合薄膜。
如图1所示，微型布拉格光栅光纤组件1在正极材料A与隔膜C间或负极材料B与隔膜C间以螺旋式布置，与电极间的电解液直接接触，如图1。激光发射及光纤信号处理器4产生连续的激光束。激光沿着光纤传播到达激光分光装置2。激光分光后进入微型布拉格光栅光纤组件1，沿着纤芯1-1传播经过布拉格光栅1-2一部分发生反射，另外一部分到达调制分光玻璃层1-4，按分光比为1：(N+i-1)分光，一部分将通过纵向测量保护窗 1-5，另外一部分通过横向测量保护窗1-6。经过布拉格光栅反射的光信号被激光发射及光纤信号处理器4接收到。
激光发射及光纤信号处理器4接收到的反射光的中心波长偏离程度反应的温度高低、压力大小和氢气浓度。电池内部温度、压力以及氢气浓度的变化会导致布拉格光栅的栅距发生改变，最终影响接受到的反射光中心波长，其作用关系如下列表达式：
Figure BDA0003772815260000051
式中，Pe为光纤有效弹光系数，Δε为微型布拉格光栅光纤组件的轴向应变，αf为光纤材料的热膨胀系数，ξ为热光系数，αsub为热光系数涂层的热膨胀系数。
微型布拉格光栅光纤组件轴向应变Δε与环境中的氢气浓度、压力有关，氢气浓度增加时涂层产生的轴向应力增加；压力增加时微型布拉格光栅光纤组件先产生径向应变，进而产生轴向应变，其关系描述如下：
Figure BDA0003772815260000052
式中，Kp为传感器压力灵敏度，可以通过实验标定获得；ΔP为测点压力变化量；
Figure BDA0003772815260000053
为测点氢气浓度变化量；
Figure BDA0003772815260000054
轴应力与氢气浓度的表达式通过实验标定获得。
为了同时求取温度、压力和氢气浓度三个量，需要同时使用三个微型布拉格光栅光纤组件(组件1、2、3)，微型布拉格光栅光纤2不添加涂层，微型布拉格光栅光纤组件1感受正应力，微型布拉格光栅光纤组件3感受负应力，这样联立方程求解得到温度、压力和氢气浓度。
Figure BDA0003772815260000055
式中，λB,1,λB,2,λB,3分别为微型布拉格光栅光纤组件1、2、3原始反射光波长，ΔλB,1,ΔλB,2,ΔλB,3分别为微型布拉格光栅光纤组件1、2、3反射光的中心波长偏移量。
最终，可实现基于锂电结构分布下的温度高低、压力大小及氢气浓度数据的在线实时监测，一旦发生热失控，可快速定位锂电内部失效区域，为后续失效分析提供数据支持。
本发明提出的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法，包括以下步骤：发射步骤，激光发射装置发射激光，激光沿着光纤传播经过激光分光装置到达微型布拉格光栅光纤组件；接收步骤，光纤信号处理器接受到两组不同的光信号，并且将光信号解调；判断步骤，数据采集终端接收光电探测器的光信号，测点处的温度、压力以及氢气浓度导致光纤产生形变，光信号的中心波长的偏移量可以分析得出温度、压力以及氢气浓度。
进一步地，上述基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法中，由探测光源发出的光束经激光分光装置，通过多功能光纤传播至带有微型布拉格光栅光纤组件的测量区域，氢气浓度会影响涂层的脱落/增加(取决于涂层性质)，产生轴向应变；温度会导致热胀冷缩以及压力的作用，进而影响通过光栅的反射光信号的中心波长。三者对通过光栅的中心波长的影响可以通过下列公式：
Figure BDA0003772815260000061
式中，Pe为光纤有效弹光系数，Δε为微型布拉格光栅光纤组件的轴向应变，αf为光纤材料的热膨胀系数，ξ为热光系数，αsub为热光系数涂层的热膨胀系数。
微型布拉格光栅光纤组件轴向应变Δε与环境中的氢气浓度、压力有关，氢气浓度增加时涂层产生的轴向应力增加；压力增加时微型布拉格光栅光纤组件先产生径向应变，进而产生轴向应变。其关系描述如下：
Figure BDA0003772815260000062
式中，Kp为传感器压力灵敏度，可以通过实验标定获得；ΔP为测点压力变化量；
Figure BDA0003772815260000063
为测点氢气浓度变化量；
Figure BDA0003772815260000064
轴应力与氢气浓度的表达式通过实验标定获得。
为了同时求取温度、压力和氢气浓度三个量，需要同时使用三个微型布拉格光栅光纤组件(组件1、2、3)，微型布拉格光栅光纤2不添加涂层，微型布拉格光栅光纤组件1感受正应力，微型布拉格光栅光纤组件3感受负应力，这样联立方程求解得到温度、压力和氢气浓度。
Figure BDA0003772815260000071
式中，λB,1,λB,2,λB,3分别为微型布拉格光栅光纤组件1、2、3原始反射光波长，ΔλB,1,ΔλB,2,ΔλB,3分别为微型布拉格光栅光纤组件1、2、3反射光的中心波长偏移量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，其特征在于：包含微型布拉格光栅光纤组，通过光纤连接的激光分光装置和激光发射及光纤信号处理器；所述微型布拉格光栅光纤组包括纤芯、光纤布拉格光栅、包层、调制分光玻璃层、纵向测量保护窗、横向测量保护窗和涂层；所述微型布拉格光栅光纤组在正极与隔膜间或负极与隔膜间以螺旋式布置；
所述激光发射及光纤信号处理器产生连续的激光束，激光沿着所述光纤传播到达所述激光分光装置，激光分光后进入所述微型布拉格光栅光纤组件，沿着所述纤芯传播经过所述布拉格光栅一部分发生反射，另外一部分到达所述调制分光玻璃层，分光后，一部分通过所述纵向测量保护窗，另外一部分通过所述横向测量保护窗；经过布拉格光栅反射的光信号被所述激光发射及光纤信号处理器接收，该激光发射及光纤信号处理器接收到的反射光的中心波长偏离程度反应电池内部温度高低、压力大小和氢气浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，其特征在于，所述纤芯和包层采用石英材质，所述纵向测量保护窗和横向测量保护窗采用耐高温、耐腐蚀特种玻璃，纵向测量保护窗直径低于90μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，其特征在于，所述纤芯中心波长为1550nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，其特征在于，所述调制分光玻璃层，与纤芯成45°，分光比为1：(N+i-1)，N为纵向测量保护窗数量，i为当前纵向测量保护窗编号。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，其特征在于，所述涂层为含钯金属或三氧化钨材料的薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，其特征在于，电池内部温度、压力以及氢气浓度的变化会导致所述光纤布拉格光栅的栅距发生改变，最终影响接受到的反射光中心波长，光栅的中心波长的影响可以通过下列公式：
Figure FDA0003772815250000011
式中，λB原始反射光中心波长，ΔλB分别为反射光的中心波长偏移量，Pe为光纤有效弹光系数，Δε为所述微型布拉格光栅光纤组件的轴向应变，αf为光纤材料的热膨胀系数，ξ为热光系数，αsub为热光系数涂层的热膨胀系数；
所述微型布拉格光栅光纤组件轴向应变Δε与环境中的氢气浓度、压力有关，氢气浓度增加时涂层产生的轴向应力增加；压力增加时微型布拉格光栅光纤组件先产生径向应变，进而产生轴向应变，其关系描述如下：
Δε＝KPΔP+f(ΔwH2)
式中，Kp为传感器压力灵敏度，通过实验标定获得；ΔP为测点压力变化量；ΔwH2为测点氢气浓度变化量；f(ΔwH2)轴应力与氢气浓度的表达式通过实验标定获得。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测装置，其特征在于，采用三个微型布拉格光栅光纤组件,所述微型布拉格光栅光纤不添加涂层，微型布拉格光栅光纤组件感受正应力，微型布拉格光栅光纤组件感受负应力，联立三组方程即可解出所述电池内部温度、压力和氢气浓度；
Figure FDA0003772815250000021
式中，λB,1,λB,2,λB,3分别为三个微型布拉格光栅光纤组件原始反射光波长，ΔλB,1,ΔλB,2,ΔλB,3分别为三个微型布拉格光栅光纤组件反射光的中心波长偏移量。
8.一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)发射步骤，激光发射装置发射激光，激光沿着光纤传播经过激光分光装置到达微型布拉格光栅光纤组件；
2)接收步骤，光纤信号处理器接受到两组不同的光信号，并且将光信号解调；
3)判断步骤，数据采集终端接收光电探测器的光信号，测点处的温度、压力以及氢气浓度导致光纤产生形变，光信号的中心波长的偏移量可以分析得出温度、压力以及氢气浓度。
9.根据权利要求8所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法，其特征在于，由探测光源发出的光束经激光分光装置，通过光纤传播至带有微型布拉格光栅光纤组件的测量区域，氢气浓度会影响涂层的脱落/增加，产生轴向应变；温度会导致热胀冷缩以及压力的作用，进而影响通过光栅的反射光信号的中心波长；光栅的中心波长的影响可以通过下列公式：
Figure FDA0003772815250000031
式中，Pe为光纤有效弹光系数，Δε为微型布拉格光栅光纤组件的轴向应变，αf为光纤材料的热膨胀系数，ξ为热光系数，αsub为热光系数涂层的热膨胀系数；
所述微型布拉格光栅光纤组件轴向应变Δε与环境中的氢气浓度、压力有关，氢气浓度增加时涂层产生的轴向应力增加；压力增加时微型布拉格光栅光纤组件先产生径向应变，进而产生轴向应变，其关系描述如下：
Figure FDA0003772815250000032
式中，Kp为传感器压力灵敏度，可以通过实验标定获得；ΔP为测点压力变化量；
Figure FDA0003772815250000033
为测点氢气浓度变化量；
Figure FDA0003772815250000034
轴应力与氢气浓度的表达式通过实验标定获得。
10.根据权利要求9所述的一种基于光纤光栅的锂电池热失控内部多特征检测方法，其特征在于，同时使用三个微型布拉格光栅光纤组件，微型布拉格光栅光纤不添加涂层，微型布拉格光栅光纤组件感受正应力，微型布拉格光栅光纤组件感受负应力，联立方程求解得到温度、压力和氢气浓度。
Figure FDA0003772815250000035
式中，λB,1,λB,2,λB,3分别为三个微型布拉格光栅光纤组件原始反射光波长，ΔλB,1,ΔλB,2,ΔλB,3分别为三个微型布拉格光栅光纤组件反射光的中心波长偏移量。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116845406A (zh) * 2023-08-28 2023-10-03 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池和用电装置

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