CN117790955A - 一种基于光纤传感的电池故障诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光纤传感的电池故障诊断系统及方法，属于电池健康监测领域，其包括光纤传感单元、扫描单元和信号处理单元，其中光纤传感单元包括多个光纤，各个光纤分别植入单电芯内部以及相邻单电芯的连接点，光纤包括有涂层光纤段和无涂层光纤段，有涂层光纤段用于实现电压监测，无涂层光纤段用于实现温度和/或应力监测；扫描单元与光纤传感单元连接，信号处理单元与扫描单元连接。本发明与在电池组外部布置光纤相比能够获取单电芯内部以及电芯连接点的信息，从而进一步提高电池组故障诊断的准确性，同时利用有涂层光纤段实现电压监测，利用无涂层光纤段实现温度和/或应力监测，以满足多物理场参数的实时、高精度监测需求。
Description
技术领域
本发明属于电池健康监测领域，更具体地，涉及一种基于光纤传感的电池故障诊断系统及方法。
背景技术
在新能源汽车和可再生能源存储领域，动力与储能电池扮演了关键角色，它们是实现碳达峰和碳中和目标的重要基石。随着这些领域的迅速发展，电池安全成为一个日益突出的问题，特别是在高安全要求的应用中，如航空和海运，电池故障可能导致灾难性的后果。因此，为了确保电池的安全和性能，需要实时、高精度的诊断技术来捕捉电池内部的电解液分布、产气分布和电荷状态。传统技术可能无法满足这些需求，或者可能需要昂贵的设备和复杂的系统配置。
对于由多个大型电芯(如刀片电池)组成的电池组，可能需要特定的技术和方法来实现有效的故障诊断和定位。随着整车或电池组数量的增加，传统的系统可能需要购买额外的昂贵设备，并可能面临系统扩展和维护的挑战。电池状态和环境条件可能会动态变化，需要一个能够实时调整监测参数并提供实时反馈的系统来确保电池的安全和性能。同时，电池内部可能存在多个物理场参数需要监测，传统的技术可能无法满足这种多物理场参数的实时、高精度监测需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光纤传感的电池组故障诊断系统及方法，旨在解决现有的故障诊断系统扩容困难、无法同时监测多个物理场参数的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种基于光纤传感的电池组故障诊断系统，该电池组故障诊断系统包括光纤传感单元、扫描单元和信号处理单元，其中所述光纤传感单元包括多个光纤，各个所述光纤分别植入单电芯内部以及相邻单电芯的连接点，以获取电池组的内部信息，每个所述光纤均包括有涂层光纤段和无涂层光纤段，所述有涂层光纤段用于实现电压监测，所述无涂层光纤段用于实现温度和/或应力监测；所述扫描单元与光纤传感单元连接，用于向各个光纤发射可调谐扫频激光以获得检测信息；所述信号处理单元与扫描单元连接，用于采集扫描单元的检测信息并进行故障判断。
作为进一步优选地，所述有涂层光纤段的涂层为压电材料，通过对涂层进行等距离刻蚀，以实现分布式传感。
作为进一步优选地，所述压电材料为石英、镧铝石或铅钛酸盐压电陶瓷。
作为进一步优选地，所述无涂层光纤段分别设置在单电芯正极和负极的光纤槽内。
作为进一步优选地，利用储能材料覆盖在无涂层光纤段的上部以确保正极或负极表面平整。
作为进一步优选地，所述无涂层光纤段与光纤槽之间设置有储能材料。
作为进一步优选地，通过在所述无涂层光纤段的外部设置套管实现温度监测。
作为进一步优选地，所述光纤的分布位置包括极耳极片焊接点处、极片中心和温度变化大于5.4℃的核心区域。
作为进一步优选地，所述信号处理单元包括收集组件、分析组件和反馈组件，所述收集组件与光纤传感单元连接，用于收集光纤传感单元的数据；所述分析组件用于根据收集的数据判定故障位置；所述反馈组件用于根据故障位置反馈调节参数。
按照本发明的另一方面，提供了利用上述电池组故障诊断系统进行诊断的方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明通过在单电芯内部和相邻单电芯的连接点植入光纤，与在电池组外部布置光纤相比能够获取单电芯内部以及电芯连接点的信息，从而进一步提高电池组故障诊断的准确性，同时采用蛇形布置的光纤，利用有涂层光纤段实现电压监测，利用无涂层光纤段实现温度和/或应力监测，能够同步获取电池组的多个数据，从而满足多物理场参数的实时、高精度监测需求，以提高信号处理单元故障判断的准确性，同时本发明提供的故障诊断系统中各个单元可以物理分离，仅在检测时进行动态联通，更加便于扩容，并且大幅降低了系统的复杂性和生产成本；
2.尤其是，本发明通过在正负极上开设光纤槽，用于放置无涂层光纤段，从而能够分开获取电池组正极和负极的温度信息和应力信息，以进一步细化信号处理单元采集到的数据，使得故障判断更加准确；
3.同时，本发明提出在光纤槽内埋设光纤然后利用储能材料覆盖光纤以确保电极表面平整，进而能够减少对电极和电池组整体的应力变化对光纤传感单元的影响；
4.此外，本发明还提出在光纤槽与光纤之间设置储能材料，从而能够更精确地测量电极界面在充放电过程中的应力变化，而电极界面是所有储能电化学反应最活跃的位置，界面处的多物理场信息更有利于进行故障判断，同时还能够减少对电极和电池组整体的应力变化对光纤传感单元的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于光纤传感的电池组故障诊断系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于光纤传感的电池组故障诊断系统的示意图；
图3是本发明实施例提供的基于光纤传感的电池组故障诊断方法的流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-光纤传感单元，1.1-光纤，1.1.1-有涂层光纤段，1.1.2-无涂层光纤段，1.2-光纤槽，2-扫描单元，2.1-激光器，2.2-光分路器，2.3-辅助干涉仪，2.4-信号接收模块，3-信号处理单元。
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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、2所示，本发明提供了一种基于光纤传感的电池组故障诊断系统，该电池组故障诊断系统包括光纤传感单元1、扫描单元2和信号处理单元3，其中光纤传感单元1包括多个光纤1.1，各个光纤1.1分别植入单电芯内部以及相邻单电芯的连接点，同时光光纤1.1还可以植入总线，以获取电池组的内部信息，与在电池组外部设置光纤相比能够准确获取单电芯内部的信息以及连接点的信息，更有利于提高后续故障诊断的准确性，同时这种模块化植入的方式支持快速部署和可扩展性；
光纤1.1采用蛇形布置，其包括有涂层光纤段1.1.1和无涂层光纤段1.1.2，其中有涂层光纤段1.1.1通过在光纤1.1表面涂覆压电材料获得，压电材料包括但不限于石英、镧铝石或铅钛酸盐压电陶瓷，通过对涂层进行等距离刻蚀，以实现分布式传感，当电极的局部电压改变时，压电材料引起的变形可被精确检测，从而实现电压监测，通过这种方式实现分布式电压传感功能，能够实时监测单电芯内部不同位置的电位变化，提高监测精度和效率，利用压电材料与光纤传感技术的结合，实现了对单电芯内部和相邻电芯之间电压和应力的高精度监测；无涂层光纤段1.1.2用于实现温度和/或应力监测，为整体测试提供补偿和校准；
扫描单元2与光纤传感单元1连接，用于向各个光纤1.1发射可调谐扫频激光以获得检测信息，其不仅能够执行可调谐的连续光谱扫描，还能根据实时需求动态调整扫描参数，以优化故障检测效率；
信号处理单元3与扫描单元2连接，用于采集检测信息并通过数据分析和机器学习算法精确判定故障位置，并利用应力和温度的变换率分析故障原因，同时该信号处理单元3还可以结合光纤超声传感系统对故障位置的电解液分布、产气分布和电荷状态等多物理场信息进行实时、高精度的综合分析，通过上述分析生成故障诊断报告，该报告可用于进一步优化电池管理系统和故障响应机制。
本发明通过将光纤传感单元、扫描单元和信号处理单元进行物理分离，仅在检测时动态联通，能够显著降低系统复杂性和成本，实现设备共享和成本优化，特别适用于整车电池组。并且这种物理分离特性可以轻松集成到机载或车载光纤系统中，对于需要高度安全性的应用(如飞机)具有重要意义。由于所有核心设备集中存放在一处，系统的维护和升级变得更加便捷。同时，该设计也提高了系统的可扩展性。通过先进的分布式光纤传感技术，在电池组内部进行高精度的原位实时监测，不仅提高了故障检测的准确性，还能通过集成大幅优化电池管理系统。通过实时监测和分析，本发明不仅有助于预防和及时应对可能的安全事故，还为未来的安全和结构设计提供了宝贵的数据支持。
进一步，无涂层光纤段1.1.2分别设置在单电芯正极和负极的光纤槽1.2内，通过光纤槽1.2隔绝另一个电极对光纤的应力，例如对于正极内的无涂层光纤段1.1.2，光纤槽1.2可以隔绝负极的应力，从而实现对正极的单独监测。通过设置光纤槽1.2可以为电池组的全面系统诊断提供了强有力的支持，对于探索电池新材料的性能和理解其老化失效机制具有重要价值。
无涂层光纤段1.1.2与光纤槽1.2的安装方式有两种，一种是利用储能材料覆盖在无涂层光纤段1.1.2的上部以确保正极或负极表面平整。安装时将无涂层光纤段1.1.2与电极表面紧密贴合，埋设无涂层光纤段1.1.2后使用储能材料覆盖以确保电极表面平整，减少电极和电池组整体的应力变化对无涂层光纤段1.1.2的影响。另一种是在无涂层光纤段1.1.2与光纤槽1.2之间设置有储能材料。安装时将储能材料涂覆在光纤槽1.2内，待干燥后放置无涂层光纤段1.1.2，从而可以更精确地测量电极材料界面处的应力。这种方法能够实时监测电极界面在充放电过程中的应力变化，而界面是所有储能电化学反应最活跃的位置，界面处的多物理场信息非常有助于理解电池的工作机制和老化过程。储能材料包括但不限于LFP、三元锂电、硅碳、SnO2、MXenes。
进一步，通过在无涂层光纤段1.1.2的外部设置套管实现温度监测，并利用外部无套管的无涂层光纤段1.1.2实现应力监测，其中对于植入电芯内部的光纤1.1，其无涂层光纤段1.1.2包括外部有套管和外部无套管两部分。对于植入连接点的光纤1.1，无涂层光纤段1.1.2可以包括外部有套管和外部无套管两部分，也可以仅为外部无套管。进行应力监测时，需要利用外部设置套管的无涂层光纤段1.1.2进行补偿，进行电压监测时，需要利用外部未设置套管的无涂层光纤段1.1.2进行补偿。
进一步，光纤1.1的分布位置包括极耳极片焊接点处、极片中心和温度变化大于5.4℃(1C倍率下)的核心区域。通过设计光纤1.1的经济合理布局，以确保其覆盖电池组的关键区域，并实现成本效益的平衡。
进一步，扫描单元优选采用光频域反射仪(OFDR)，其包括激光器2.1、光分路器2.2、辅助干涉仪2.3和信号接收模块2.4，激光器2.1发出的可调谐扫频激光经过光分路器2.2分为两路，一路进入光纤1.1不断产生瑞利散射光并沿原路返回并进入信号接收模块2.4，另一路通过辅助干涉仪2.3进入信号接收模块2.4作为参考信号，两路光满足相干条件发生相干混频并由信号接收模块2.4将光信号转换为电信号。
进一步，信号处理单元3包括收集组件、分析组件和反馈组件，收集组件与扫描单元2连接，用于收集扫描单元2的检测信息，其可以根据电池组状态和环境条件，有选择地收集光纤1.1上的瑞利背向散射光谱，以减少数据噪声并提高分析准确性；分析组件用于根据收集的电压、温度和应力信息对电芯内部电荷状态进行分析，以精确判定故障位置；反馈组件用于根据故障位置对电池组内部进行故障评估，并实时反馈信息给电池管理系统，反馈组件还能动态调节电池组运行参数、激光器调谐频率及采样范围，以适应不同运行条件。
如图3所示，按照本发明的另一方面，提供了利用上述电池组故障诊断系统进行诊断的方法，该方法具体为：在单电芯内部和相邻电芯的连接点植入光纤传感单元1，将光纤传感单元1与扫描单元和信号处理单元动态联接，然后利用扫描单元2向光纤1.1发射可调谐扫频激光并获得压力、温度、应力信息，然后根据其确定故障位置。
进一步，还可以结合光纤超声传感系统收集故障位置特种光纤超声光谱信息，利用算法分析电芯内部电解液分布情况等，诊断故障原因。
结合GITT，电池过充过放，电压电流突变等测试方法，本技术也可实现对电极材料温度、应力以及局部电压的响应速度进行表征测试，从而对材料离子传导率及极化率进行侧面分析，为分析材料在实际工作状态下的具体性能提供可靠的工具。测试方法的整合包括结合宽温域充放电(测试电池在不同温度条件下的性能)、恒电流间歇滴定(GITT，用于测量离子扩散速率和电极材料的极化现象)、电池过充过放测试(评估电池在极端条件下的行为)以及电压电流突变测试(分析电池对负载变化的响应)。通过这些方法，可以全面评估电池材料在不同工作条件下的行为和性能。
电极材料应力响应表征：利用上述测试方法结合传感技术，可以表征电极材料温度、应力以及局部电压的响应速度。这种表征对于理解电池在高低温条件下的性能、材料的离子传导率及极化率至关重要。
多物理场信息综合分析：分析单电极、单电极界面、固态电解质以及电池整体内外部的多物理场信息，例如电化学性能、应力响应、温度分布等。这种综合分析提供了一种可靠的工具，用于分析各种材料在实际工作状态下的具体性能。
精准材料研发与调节：通过这些综合的测试和分析方法，可以准确调节并优化针对特定应用领域的关键电池材料。这不仅有助于电池材料的精准研发，还能提供完善的数据支持，以实现材料性能的优化和电池设计的改进。
本发明通过集成多种测试方法和传感技术，实现了对电池材料在各种工作条件下的全面分析。这种方法不仅能够深入理解电池材料的行为和性能，还能为电池的精准设计和材料的创新研发提供强大的数据支持和分析工具。同时本发明结合瑞利光频域反射OFDR，瑞利光时域反射OTDR以及布里渊光时域反射BOTDR等分布式传感系统均可实现上述功能。
本领域的技术人员容易理解，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)
1.一种基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，所述电池组故障诊断系统包括光纤传感单元(1)、扫描单元(2)和信号处理单元(3)，其中所述光纤传感单元(1)包括多个光纤(1.1)，各个所述光纤(1.1)分别植入单电芯内部以及相邻单电芯的连接点，以获取电池组的内部信息，每个所述光纤(1.1)均包括有涂层光纤段(1.1.1)和无涂层光纤段(1.1.2)，所述有涂层光纤段(1.1.1)用于实现电压监测，所述无涂层光纤段(1.1.2)用于实现温度和/或应力监测；所述扫描单元(2)与光纤传感单元(1)连接，用于向各个光纤(1.1)发射可调谐扫频激光以获得检测信息；所述信号处理单元(3)与扫描单元(2)连接，用于采集扫描单元(2)的检测信息并进行故障判断。
2.如权利要求1所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，所述有涂层光纤段(1.1.1)的涂层为压电材料，通过对涂层进行等距离刻蚀，以实现分布式传感。
3.如权利要求2所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，所述压电材料为石英、镧铝石或铅钛酸盐压电陶瓷。
4.如权利要求1所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，所述无涂层光纤段(1.1.2)分别设置在单电芯正极和负极的光纤槽(1.2)内。
5.如权利要求4所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，利用储能材料覆盖在无涂层光纤段(1.1.2)的上部以确保正极或负极表面平整。
6.如权利要求1所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，所述无涂层光纤段(1.1.2)与光纤槽(1.2)之间设置有储能材料。
7.如权利要求1所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，通过在所述无涂层光纤段(1.1.2)的外部设置套管实现温度监测。
8.如权利要求1所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，所述光纤(1.1)的分布位置包括极耳极片焊接点处、极片中心和温度变化大于5.4℃的核心区域。
9.如权利要求1～8任一项所述的基于光纤传感的电池组故障诊断系统，其特征在于，所述信号处理单元(3)包括收集组件、分析组件和反馈组件，所述收集组件与光纤传感单元(1)连接，用于收集光纤传感单元(1)的数据；所述分析组件用于根据收集的数据判定故障位置；所述反馈组件用于根据故障位置反馈调节参数。
10.利用如权利要求1～9任一项所述的电池组故障诊断系统进行诊断的方法。
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