CN116026491A - 一种基于分布式光纤的电池管理系统及电池管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于分布式光纤的电池管理系统及电池管理方法，属于光纤测量技术领域，包括：顺次连接的光信号发送模块、电池检测模块和光信号接收模块；光信号发送模块用于发射光源，并根据电池排列状态对光源进行分路，得到分路光源；电池检测模块用于接收分路光源，将分路光源发送至各电池单元对应的光纤传感器，由光纤传感器获取各电池单元光信号；光信号接收模块用于接收各电池单元光信号，将各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息。本发明通过在电池单元上布设分布式光纤传感器进行温度测量，具有灵敏度高，能抗电磁干扰的优点，还具有传统测量方法中不具备的测量分布均匀，能适应各种恶劣环境的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光纤测量技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤的电池管理系统及电池管理方法。
背景技术
电池管理系统（Battery Management System，BMS）是对电池组进行实时采集、处理以及存储电池组运行过程中重要信息的管理系统，与外部设备交换信息，解决电池系统中安全性、可用性、易用性、使用寿命等关键问题。电池管理系统的主要作用是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态，电池状态最直接的物理表象即为温度和形变。
目前，大容量电池在集成过程中会分包为多个单元，现有的电池管理系统对各个单元的温度进行单独测试，结合实验室数据模型，通过数据比对分析判定电池单元的状态，从而预判该电池单元的健康状态，若存在异常情形，则切断该单元电池的输入输出，进行故障隔离，通过该种方法对整个电池组进行健康管理。大容量电池存在几个至几十个电池单元，每个电池单元存在成百上千个电芯组件，温度探头数量庞大，且无法做串并联使用，采集系统功耗及成本巨大，只能采用缩减探头数量的方式进行温度监控，并将电池运行特性放在实验室进行，无法做到低成本实时性多通道采集，使得电池安全隐患难以被发现。
针对现有的电池管理系统，需要提出新的改进方案。
发明内容
本发明提供一种基于分布式光纤的电池管理系统及电池管理方法，用以解决现有技术中针对电池管理系统采用传统的电池信息采集方法存在的缺陷。
第一方面，本发明提供一种基于分布式光纤的电池管理系统，包括：
顺次连接的光信号发送模块、电池检测模块和光信号接收模块；
所述光信号发送模块用于发射光源，并根据电池排列状态对所述光源进行分路，得到分路光源；
所述电池检测模块用于接收所述分路光源，将所述分路光源发送至各电池单元对应的光纤传感器，由所述光纤传感器获取各电池单元光信号；
所述光信号接收模块用于接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理系统，所述光信号发送模块包括通过光纤连接的光发射单元和分路单元；
所述光发射单元用于输出所述光源；
所述分路单元用于将所述光源按照所述电池排列状态分成多路光源。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理系统，所述电池检测模块包括编号单元和光纤传感器；
所述编号单元与分路单元相连接，用于确定光纤传感器的编号和区分光纤传感器位置；
所述光纤传感器与所述编号单元相连接，用于获取所述各电池单元光信号。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理系统，所述光纤传感器分别安装于各电池单元表面，与各电池单元一一对应。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理系统，所述光信号接收模块包括通过光纤连接的合路单元和调制解调单元；
所述合路单元与编号单元相连接，用于将所述各电池单元光信号进行合路，输出合路光信号；
所述调制解调单元用于对所述合路光信号进行参数分析，获得所述各电池单元温度信息。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理系统，还包括显控单元和终端；
所述显控单元与调制解调单元相连接，用于显示所述各电池单元温度信息，输出电池安全分析结果；
所述终端与所述显控单元相连接，用于接收所述电池安全分析结果。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理系统，所述显控单元包括设备自身显控单元、公共充电单元、云单元和生产厂家数据库。
第二方面，本发明还提供一种基于分布式光纤的电池管理方法，包括：
光信号发送模块产生光源，基于电池排列状态对所述光源进行分路后获得分路光源，向电池检测模块发送所述分路光源；
所述电池检测模块接收所述分路光源，各电池单元对应的光纤传感器基于所述分路光源获取各电池单元光信号后，向光信号接收模块发送所述各电池单元光信号；
所述光信号接收模块接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理方法，所述光信号发送模块产生光源，基于电池排列状态对所述光源进行分路后获得分路光源，向电池检测模块发送所述分路光源，包括：
由光发射单元输出所述光源，向分路单元发送所述光源；
所述分路单元基于所述电池排列状态将所述光源分成多路光源，向所述电池检测模块发送所述分路光源。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理方法，所述光信号接收模块接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息，包括：
由合路单元将所述各电池单元光信号进行合路，输出合路光信号，向调制解调单元传输所述合路光信号；
所述调制解调单元接收所述合路光信号后进行参数分析，得到所述各电池单元温度信息。
本发明提供的基于分布式光纤的电池管理系统及电池管理方法，通过在电池单元上布设分布式光纤传感器进行温度测量，具有灵敏度高，能抗电磁干扰的优点，还具有传统测量方法中不具备的测量分布均匀，能适应各种恶劣环境的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于分布式光纤的电池管理系统的整体结构图；
图2是本发明提供的传统温度传感器测量示意图；
图3是本发明提供的光纤传感器测量示意图；
图4是本发明提供的基于分布式光纤的电池管理系统的具体结构图；
图5是本发明提供的基于分布式光纤的电池管理方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
针对现有技术的不足，本发明采用光纤传感器作为电池温度探测单元，可以大面积多通道检测电池工作状态，弥补现阶段温度探头数量有限，温度不能真实反映电池电芯温度的不足。
图1是本发明提供的基于分布式光纤的电池管理系统的整体结构图，如图1所示，包括：
顺次连接的光信号发送模块、电池检测模块和光信号接收模块；
所述光信号发送模块用于发射光源，并根据电池排列状态对所述光源进行分路，得到分路光源；
所述电池检测模块用于接收所述分路光源，将所述分路光源发送至各电池单元对应的光纤传感器，由所述光纤传感器获取各电池单元光信号；
所述光信号接收模块用于接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息。
可以理解的是，本发明提出的电池管理系统，是基于分布式光纤所实现。
光纤传感技术经过多年的学术研究与技术发展，近几年来出现了加速发展的趋势。这是因为一方面,光纤传感技术凭借其抗干扰能力强、体型小、敏感度高、传送距离远、本质安全等优势，已经在多个领域得到了广泛的应用并得到了良好的反馈，另一方面,随着经济和技术的发展，为光纤传感技术的推广应用提供经济基础和广泛的应用场景。
光纤传感器的基本原理是将来自光源的光经过光纤送入传感头（调制器），使待测量参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位和偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光电探测器，将光信号转化为电信号，后经过信号处理后还原出被测物理量。通常，光纤传感器一般可分为功能型（传感型）传感器和非功能型（传光型）传感器两大类。
相比起传统式的电子传感技术，光纤传感技术具有许多的优点，主要表现在：
（1）灵敏度高：由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。
（2）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全：由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠，这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。
（3）测量速度快：光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。
（4）信息容量大：被测信号以光波为载体，而光的频率很高，所容纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。
（5）适用于恶劣环境：光纤是一种电介质，耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰，可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。
由于温度是电池工作过程中最直接的物理量，通过对电池温度的变化可判定改组电池是否工作稳定正常，以电信号为工作基础的传统的温度传感器，在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制，而光纤传感器在抗干扰、安全性方面则表现优异。
光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。光纤传感器与传统测温方式对比如表1所示：
表1
而传统电池管理系统中温度探测点分布形式如图2所示。
单组电池单元放置多个电芯，如图中斜线阴影部分，在电芯与电芯之间填充导热固化胶，如图中白色部分，导热胶水将各个电芯的热量均匀分布在电池单元内部，温度探头则通过识别不同点的温度，如图中黑色圆点，间接判定改组电池单元的工作状态，从而起到预警和告警的目的。
很明显地，上述电池测量系统的分布形式存在如下缺点：探测点少，成本低；探测范围有限，通过测量电池单元外壳的温度从而间接判定电池单元温度；多组温度传感器布线复杂，容易受到干扰。
对应地，本发明将光纤传感器依照电池排布情况进行分布式排布，如图3所示，图中灰色部分为电芯，黑色曲线为光纤传感器测量单元。
可以看出，本发明的分布式布局方式具有以下特点：光纤传感器分布面积大，测量范围广，可真实反映电池工作状态的变化情况；传感器可通过无源光学器件进行并联组合，增加测量通道数量；光纤直径小，操作简单，对现有电池单元结构无需做任何修改。
具体地，本发明利用分布式光纤组成的电池管理系统，按照光的运行方向，分为光信号发送模块、电池检测模块和光信号接收模块。
光信号发送模块发射光源，并根据需要测量的电池组中电池排列状态对光源进行分路，分成多路光源后得到分路光源；电池检测模块作为核心模块，按照电池排列情况分成多组光纤传感器，布设在对应的电池组表面，由光纤传感器实时监测电池组中各电池单元的温度，产生对应的光信号后向光信号接收模块进行信号传输；光信号接收模块接收多个光信号后，对光信号进行调制解调，转换为各电池单元温度信息。
本发明通过利用分布式光纤的高灵敏度、能抗电磁干扰，具有电绝缘、耐腐蚀，以及测量速度快和大容量的特点，能实时精准地测量电池组中各电池的温度。
基于上述实施例，所述光信号发送模块包括通过光纤连接的光发射单元和分路单元；
所述光发射单元用于输出所述光源；
所述分路单元用于将所述光源按照所述电池排列状态分成多路光源。
具体地，如图4所示，光信号发送模块包括光发射单元和分路单元两个部分，两个单元之间由光纤进行连接。
光发射单元将原始光信号通过光纤连接至分路单元，分路单元可根据电池组分列情况进行调整设计，原始光信号进过分路单元后进入电池检测模块。
本发明通过在光信号发送模块中引入分路模块，能根据电池组排列情况对光源进行分路，具有较强的灵活性。
基于上述实施例，所述电池检测模块包括编号单元和光纤传感器；
所述编号单元与分路单元相连接，用于确定光纤传感器的编号和区分光纤传感器位置；
所述光纤传感器与所述编号单元相连接，用于获取所述各电池单元光信号。
根据本发明提供的一种基于分布式光纤的电池管理系统，所述光纤传感器分别安装于各电池单元表面，与各电池单元一一对应。
具体地，电池检测模块具体包括编号单元和光纤传感器，其中编号单元和分路单元相连接，目的是对光纤传感器进行编号，用于区分传感器位置，经过编号单元后，进入电池单元，根据电池电源内部电芯的排布情况，将光纤传感器粘贴在电池单元外表面，光纤传感器可根据电芯数量的多少进行疏密排布，从而全面的了解电芯的工作温度。
由图3可知，光纤传感器布设在电池组表面，与各电池单元一一对应，且能根据电池单元的疏密程度进行灵活调整，确保能均匀接触到每个电池单元。
本发明通过分布式光纤的布设方法，能大面积连续测量沿线的电池温度变化，具有测量面积大和灵敏度高的特点。
基于上述实施例，所述光信号接收模块包括通过光纤连接的合路单元和调制解调单元；
所述合路单元与编号单元相连接，用于将所述各电池单元光信号进行合路，输出合路光信号；
所述调制解调单元用于对所述合路光信号进行参数分析，获得所述各电池单元温度信息。
具体地，如图4所示，当光纤传感器获取到各电池单元的温度信息后，将获得信息的光信号由对应的编号单元返回至合路单元进行光信号合路处理，最后返回至调制解调单元进行集中处理转换。
调制解调单元对返回光纤里面的光信号进行参数分析，还原出光纤传感器测量到的温度数据。
可以看出，本发明对现有电池单元结构无需做修改，可直接应用，不受使用环境的影响，安全性高，且其中的无源器件无需供电。
基于上述实施例，还包括显控单元和终端；
所述显控单元与调制解调单元相连接，用于显示所述各电池单元温度信息，输出电池安全分析结果；
所述终端与所述显控单元相连接，用于接收所述电池安全分析结果。
其中，所述显控单元包括设备自身显控单元、公共充电单元、云单元和生产厂家数据库。
可选地，当调制解调单元还原出光纤传感器测量到的温度数据后，将数据信息通过有线/无线的方式发送至显控单元，显控单元将温度信息显示及告警判定，显控单元通常包括：
（1）设备自身显控单元：设备自带的显示屏、显示器进行温度显示，确保使用现场的实时性；
（2）公共充电单元：当设备进行充电时，在公共充电单元显示屏/平台上显示电池充电时的实时状态，改组数据用于分析电池使用、充电时的安全性分析；
（3）云单元：电池使用设备通过无线/有线的方式上传自身的工作温度信息，便于长时间记录电池健康信息，便于大数据分析电池安全性；
（4）生产厂家数据库：对于电池成产厂家可以实时了解电池的使用情况，对电池安全性进行大数据统计及安全性的提前预知。
此处的终端主要为便携式设备，包括手机、电脑、平板、电子邮箱等，电池使用设备通过公共网络包含4G/5G/Wifi/蓝牙的无线通过方式将电池安全性状况及预警信息提前告知，确保电池使用的安全性提前为用户知悉。
本发明通过外接显示设备和终端设备，能实时显示和监控电池温度数据的变化，便于用户快速掌握电池使用状况。
基于上述实施例，图5是本发明提供的基于分布式光纤的电池管理方法的流程示意图， 如图5所示，包括：
步骤100：光信号发送模块产生光源，基于电池排列状态对所述光源进行分路后获得分路光源，向电池检测模块发送所述分路光源；
由光信号发送模块发射光源，并根据需要测量的电池组中电池排列状态对光源进行分路，分成多路光源后得到分路光源，向电池检测模块发送分路光源。
步骤200：所述电池检测模块接收所述分路光源，各电池单元对应的光纤传感器基于所述分路光源获取各电池单元光信号后，向光信号接收模块发送所述各电池单元光信号；
由于电池检测模块作为核心模块，按照电池排列情况分成多组光纤传感器，布设在对应的电池组表面，由光纤传感器实时监测电池组中各电池单元的温度，产生对应的光信号后向光信号接收模块进行信号传输。
步骤300：所述光信号接收模块接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息。
待光信号接收模块接收多个光信号后，对光信号进行调制解调，转换为各电池单元温度信息。
本发明通过在电池单元上布设分布式光纤传感器进行温度测量，具有灵敏度高，能抗电磁干扰的优点，还具有传统测量方法中不具备的测量分布均匀，能适应各种恶劣环境的应用。
基于上述实施例，所述光信号发送模块产生光源，基于电池排列状态对所述光源进行分路后获得分路光源，向电池检测模块发送所述分路光源，包括：
由光发射单元输出所述光源，向分路单元发送所述光源；
所述分路单元基于所述电池排列状态将所述光源分成多路光源，向所述电池检测模块发送所述分路光源。
其中，所述光信号接收模块接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息，包括：
由合路单元将所述各电池单元光信号进行合路，输出合路光信号，向调制解调单元传输所述合路光信号；
所述调制解调单元接收所述合路光信号后进行参数分析，得到所述各电池单元温度信息。
具体地，由光发射单元将原始光信号通过光纤连接至分路单元，分路单元可根据电池组分列情况进行调整设计，原始光信号进过分路单元后进入电池检测模块。
分路光源经过编号单元后，进入电池单元，根据电池电源内部电芯的排布情况，将光纤传感器粘贴在电池单元外表面，光纤传感器可根据电芯数量的多少进行疏密排布
由光纤传感器获取到各电池单元的温度信息后，将获得信息的光信号由对应的编号单元返回至合路单元进行光信号合路处理，最后返回至调制解调单元进行集中处理转换。调制解调单元对返回光纤里面的光信号进行参数分析，还原出光纤传感器测量到的温度数据。
本发明通过采用光纤传感器作为电池温度探测单元，可以大面积多通道检测电池工作状态，弥补现阶段温度探头数量有限，温度不能真实反映电池电芯温度的不足。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于分布式光纤的电池管理系统，其特征在于，包括：顺次连接的光信号发送模块、电池检测模块和光信号接收模块；
所述光信号发送模块用于发射光源，并根据电池排列状态对所述光源进行分路，得到分路光源；
所述电池检测模块用于接收所述分路光源，将所述分路光源发送至各电池单元对应的光纤传感器，由所述光纤传感器获取各电池单元光信号；
所述光信号接收模块用于接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的电池管理系统，其特征在于，所述光信号发送模块包括通过光纤连接的光发射单元和分路单元；
所述光发射单元用于输出所述光源；
所述分路单元用于将所述光源按照所述电池排列状态分成多路光源。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的电池管理系统，其特征在于，所述电池检测模块包括编号单元和光纤传感器；
所述编号单元与分路单元相连接，用于确定光纤传感器的编号和区分光纤传感器位置；
所述光纤传感器与所述编号单元相连接，用于获取所述各电池单元光信号。
4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤的电池管理系统，其特征在于，所述光纤传感器分别安装于各电池单元表面，与各电池单元一一对应。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的电池管理系统，其特征在于，所述光信号接收模块包括通过光纤连接的合路单元和调制解调单元；
所述合路单元与编号单元相连接，用于将所述各电池单元光信号进行合路，输出合路光信号；
所述调制解调单元用于对所述合路光信号进行参数分析，获得所述各电池单元温度信息。
6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的电池管理系统，其特征在于，还包括显控单元和终端；
所述显控单元与调制解调单元相连接，用于显示所述各电池单元温度信息，输出电池安全分析结果；
所述终端与所述显控单元相连接，用于接收所述电池安全分析结果。
7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤的电池管理系统，其特征在于，所述显控单元包括设备自身显控单元、公共充电单元、云单元和生产厂家数据库。
8.一种基于分布式光纤的电池管理方法，基于权利要求1至7中任一所述的电池管理系统，其特征在于，包括：
光信号发送模块产生光源，基于电池排列状态对所述光源进行分路后获得分路光源，向电池检测模块发送所述分路光源；
所述电池检测模块接收所述分路光源，各电池单元对应的光纤传感器基于所述分路光源获取各电池单元光信号后，向光信号接收模块发送所述各电池单元光信号；
所述光信号接收模块接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息。
9.根据权利要求8所述的基于分布式光纤的电池管理方法，其特征在于，所述光信号发送模块产生光源，基于电池排列状态对所述光源进行分路后获得分路光源，向电池检测模块发送所述分路光源，包括：
由光发射单元输出所述光源，向分路单元发送所述光源；
所述分路单元基于所述电池排列状态将所述光源分成多路光源，向所述电池检测模块发送所述分路光源。
10.根据权利要求8所述的基于分布式光纤的电池管理方法，其特征在于，所述光信号接收模块接收所述各电池单元光信号，将所述各电池单元光信号转换为各电池单元温度信息，包括：
由合路单元将所述各电池单元光信号进行合路，输出合路光信号，向调制解调单元传输所述合路光信号；
所述调制解调单元接收所述合路光信号后进行参数分析，得到所述各电池单元温度信息。
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