CN118011208A - 一种锂离子电池单体内部状态监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种锂离子电池单体内部状态监测系统，属于锂电池内部监测技术领域，其中，该系统包括：光纤传感网络、光纤光栅解调仪和数据处理单元；所述光纤传感网络的主体内置于锂离子电池内部，所述光纤传感网络用于获取锂离子电池内部的温度信号和应变信号；所述光纤光栅解调仪与所述光纤传感网络通信连接，用于接收所述温度信号和所述应变信号，并将解调后的温度信号和应变信号发送至数据处理单元；所述数据处理单元与所述光纤光栅解调仪通信连接，用于基于所述解调后的温度信号和应变信号，确定电池SOC值。本发明实现了对电池管理系统的精准监测。
Description
技术领域
本发明涉及锂电池内部监测技术领域，尤其涉及一种锂离子电池单体内部状态监测系统。
背景技术
锂离子电池因其能量密度高、长寿命、低自放电以及与现有电力基础设施的兼容性等特性，通常被用作便携式设备、纯电动汽车和电力的储能系统。然而锂离子电池的失效及热失控等安全问题时常发生，提升锂离子电池的安全性已成为当务之急。传感技术作为实时检测手段，已被应用于电池温度、应变、气压等物理场信息收集，并在此基础上形成了电池管理系统(battery management system，BMS)。然而，现有的基于模组层级的传感技术通常附着于电池表面，仅能测得电池表面的信息，且受制于迟滞效应、梯度效应和局部效应，已不能完全满足有效预警的迫切需求。
目前针对锂离子电池内部工况的检测方法主要通过植入不同功能的传感器来实现。基于电阻与温度、应变的函数关系，形成了薄膜式电类传感器。然而，这类传感器布线复杂，抗电磁干扰能力差，往往空间分辨率较低，限制了对电池内部微小变化的准确感知。传感器布线的复杂性和抗干扰能力的不足也给整个系统的稳定运行和可靠性带来了挑战。
因此，传统的基于电阻与温度的关系的薄膜式传感器在锂离子电池内部温度、压力、应变等参数监测方面存在局限性，无法完全满足电池管理系统对精准监测和有效预警的需求。针对这些问题，急需一种新型的内置传感技术，能够提高监测的准确性、实时性和全面性，以有效解决锂离子电池安全性监测领域的挑战。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种锂离子电池单体内部状态监测系统，用以解决现有技术中对电池的监测无法完全满足电池管理系统对精准监测需求的技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供一种锂离子电池单体内部状态监测系统，包括：光纤传感网络、光纤光栅解调仪和数据处理单元；
所述光纤传感网络的主体内置于锂离子电池内部，所述光纤传感网络用于获取锂离子电池内部的温度信号和应变信号；
所述光纤光栅解调仪与所述光纤传感网络通信连接，用于接收所述温度信号和所述应变信号，并将解调后的温度信号和应变信号发送至数据处理单元；
所述数据处理单元与所述光纤光栅解调仪通信连接，用于基于所述解调后的温度信号和应变信号，确定电池SOC值。
在一种可能的实现方式中，所述光纤传感网络包括单体光纤、多个光纤光栅温度传感器、多个光纤光栅应变传感器和衬底材料，所述多个光纤光栅温度传感器和所述多个光纤光栅应变传感器均贴覆于所述单体光纤，所述衬底材料包覆于所述多个光纤光栅温度传感器和所述多个光纤光栅应变传感器并与所述单体光纤固定连接。
在一种可能的实现方式中，所述多个光纤光栅应变传感器沿着所述单体光纤的延伸方向间隔分布于锂离子电池内部，所述多个光纤光栅应变传感器用于获取充放电过程中电池内部电芯不同区域的形变状态。
在一种可能的实现方式中，所述多个光纤光栅温度传感器沿着所述单体光纤的延伸方向间隔分布于锂离子电池内部，所述多个光纤光栅温度传感器与所述多个光纤光栅应变传感器一一对应分布，用于获取充放电过程中电池内部电芯不同区域的温度信息。
在一种可能的实现方式中，所述光纤传感网络还包括充放电行为预测单元，所述充放电行为预测单元用于：
基于锂离子电池内部传热状态方程，确定锂离子电池内外温差传递函数；
根据内外温差传递函数，采用集总参数模型确定电池在不同条件下的充放电行为，并确定锂离子单体电池的温度测量点。
在一种可能的实现方式中，所述光纤传感网络还包括应变系统参数确定单元，所述应变系统参数确定单元用于：
根据光纤布拉格光栅二阶模型应变响应微分方程理论确定阵列光纤光栅的应变系统参数。
在一种可能的实现方式中，所述光纤传感网络还包括目标函数确定单元，所述目标函数确定单元用于：
根据所述锂离子电池内外温差传递函数和光纤布拉格光栅二阶模型应变响应微分方程的约束条件，确定目标函数。
在一种可能的实现方式中，基于所述目标函数，确定所述多个光纤光栅温度传感器分别安装于电池内部电芯侧面以及两电芯中心，所述多个光纤光栅应变传感器分别安装于电池内部电芯侧面以及两电芯中心。
在一种可能的实现方式中，所述衬底材料为耐腐蚀PET膜。
在一种可能的实现方式中，还包括显示及预警单元，所述显示及预警单元与所述数据处理单元通信连接，用于接收并显示所述电池SOC值，并比较所述电池SOC值与阈值的大小关系，若所述电池SOC值超过阈值，则报警。
本发明的有益效果是：通过将光纤传感网络设置于锂离子电池单体内部，基于光纤传感本身具有抗电磁干扰和本征防爆的特性，能够在恶劣的环境中工作，并且测量灵敏度高、精度高，从而能够通过光纤传感网络实时获取电池单体内部温度应变情况，判断电池运行情况，评估电池运行状态，提前预警电池热失控。
附图说明
图1为本发明提供的锂离子电池单体内部状态监测系统一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的锂离子电池单体内部状态监测系统一实施例的模块连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
需要说明的是，基于光的波长位移与温度、应变等的函数关系，形成了光纤传感器。光纤光栅传感器具有体积小、耐高温、抗腐蚀和本征绝缘等优点，且传感器以光波为传输载体，不受外界电磁干扰。光纤光栅传感器可以采用波分复用技术，在一根光纤上串联多个传感器独立工作，实现准分布式测量。因此，光纤光栅传感器作为一种无源传感器，在面对大容量锂离子电池内部空间狭小、化学腐蚀等恶劣环境，是理想的嵌入式传感器，能够很好地应用于电池内部温度和应变等状态监测。
基于此，本发明的一个具体实施例，公开了一种锂离子电池单体内部状态监测系统，请参阅图1-2，包括：光纤传感网络1、光纤光栅解调仪2和数据处理单元3；
所述光纤传感网络1的主体内置于锂离子电池内部，所述光纤传感网络1用于获取锂离子电池内部的温度信号和应变信号；
所述光纤光栅解调仪2与所述光纤传感网络1通信连接，用于接收所述温度信号和所述应变信号，并将解调后的温度信号和应变信号发送至数据处理单元3；
所述数据处理单元3与所述光纤光栅解调仪2通信连接，用于基于所述解调后的温度信号和应变信号，确定电池SOC值。
在本实施例中，通过将光纤传感网络1设置于锂离子电池单体内部，基于光纤传感本身具有抗电磁干扰和本征防爆的特性，能够在恶劣的环境中工作，并且测量灵敏度高、精度高，从而能够通过光纤传感网络1实时获取电池单体内部温度应变情况，判断电池运行情况，评估电池运行状态，提前预警电池热失控。
需要说明的是，光纤传感网络1对于温度与应变参量同时存在且共同作用的电化学环境，需要读取光纤光栅温度传感器的温度对应变传感器进行补偿措施，对FBG的温度/应变交叉敏感进行解耦。
在一些实施例中，所述光纤传感网络1包括单体光纤11、多个光纤光栅温度传感器12、多个光纤光栅应变传感器13和衬底材料14，所述多个光纤光栅温度传感器12和所述多个光纤光栅应变传感器13均贴覆于所述单体光纤11，所述衬底材料14包覆于所述多个光纤光栅温度传感器12和所述多个光纤光栅应变传感器13并与所述单体光纤11固定连接。
在本实施例中，每根光纤至少包含3～6个光纤光栅应变传感器13和3～6个光纤光栅温度传感器12，同时监测电池单体内部的温度和应变分布，监测电池单体内部体积膨胀过程和结构变形，提供准确的SOC估计和热失控预警。于其他实施例中，每根光纤还可根据电池的尺寸或光纤传感的参数设计，选择其他数目的光纤光栅应变传感器13和光纤光栅温度传感器12。
进一步的，阵列温度应变光纤传感器为飞秒激光刻写的光纤布拉格光栅传感器(Fiber Bragg Grating，FBG)，包括光纤光栅区、光纤纤芯和聚酰亚胺涂覆层。
更进一步的，衬底材料14采用激光切割，两片衬底材料14将光纤传感器夹在中间，用超声焊接两个衬底材料14。
在一些实施例中，所述多个光纤光栅应变传感器13沿着所述单体光纤11的延伸方向间隔分布于锂离子电池内部，所述多个光纤光栅应变传感器13用于获取充放电过程中电池内部电芯不同区域的形变状态。
在本实施例中，在充放电过程中，电池内部会出现不同区域的形变状态差异，通过多个光纤光栅应变传感器13的分布，可以实现对电池内部不同区域的应变状态进行精细测量，从而识别出可能存在的应力集中区域或异常形变情况，有助于提前发现电池内部的问题，实现对电池工作状态的全面监测和控制。
在一些实施例中，所述多个光纤光栅温度传感器12沿着所述单体光纤11的延伸方向间隔分布于锂离子电池内部，所述多个光纤光栅温度传感器12与所述多个光纤光栅应变传感器13一一对应分布，用于获取充放电过程中电池内部电芯不同区域的温度信息。
在本实施例中，光纤光栅温度传感器12具有3～6个布拉格光栅，光纤光栅温度传感器12能够测量0～150℃范围的温度，主要用于给光纤应变传感器提供温度补偿，提高应变测量精度，同时监测电池内部在充放电过程中电芯不同区域的温度。
在一些实施例中，所述光纤传感网络1还包括充放电行为预测单元，所述充放电行为预测单元用于：
基于锂离子电池内部传热状态方程，确定锂离子电池内外温差传递函数；
根据内外温差传递函数，采用集总参数模型确定电池在不同条件下的充放电行为，并确定锂离子单体电池的温度测量点。
在本实施例中，利用锂电子电池内部传热状态方程进行拉普拉斯变换得到相应的内外温差传递函数，采用集总参数模型来预测电池在不同条件下的充放电行为，传递函数表示为：
其中，ΔT1(s)为电池内外温差的拉普拉斯变换；Q(s)为电池内部热源的拉普拉斯变换；s为复频域变量，代表拉普拉斯变换中的微分操作；C1为扩散极化电容；C2为浓差极化电容；R1为扩散极化内阻；R2为浓差极化内阻。
通过Matlab进行系统的频域分析，寻找系统的极点和零点，以确定单体电池的涉及稳定性的一个或多个关键温度测量点。
在一些实施例中，所述光纤传感网络1还包括应变系统参数确定单元，所述应变系统参数确定单元用于：
根据光纤布拉格光栅二阶模型应变响应微分方程理论确定阵列光纤光栅的应变系统参数。
在本实施例中，根据光纤布拉格光栅二阶模型应变响应微分方程理论或判据，确定一个或多个阵列光纤光栅的应变系统参数，
考虑光纤光栅传感器应变响应的微分方程：
其中，δΔλ为光纤光栅波长移位误差；λB为光纤光栅布拉格波长；pe为有效弹光系数；Δε为应变变化。
实际安装FBG传感器网络并进行实验验证。通过调整传感器位置和参数，以提高监测的准确性和适用性。
在实验室环境中，使用实际的电池样品验证FBG传感器网络。根据实验数据调整λB和Δε参数，优化传感器的应变响应特性。
更进一步的，综合温度场传递函数和光纤布拉格光栅应变响应微分方程的约束条件，确定锂离子电池单体内部温度应变光纤传感的目标函数为：
F(x)为多约束目标函数，综合了温度监测的准确性、传感器响应和成本。
f1(ΔT1(s))表示温度监测准确性的函数，目标是最小化温度场的均方根误差(RMSE)。
f2(δΔλ)表示传感器应变响应特性的函数，目标是最小化应变响应误差的均方根误差(RMSE)。
f3(C)表示光纤传感成本函数，包括传感器、解调器和安装成本。
w1，w2，w3是权重系数，表示不同目标相对重要性的大小，需要根据实际应用场景和预算进行调整。
其中，各个约束条件如下：
1、传递函数内外温差约束：
温度场的最大差异不能超过特定阈值：Tmax-Tmin≤ΔTallowed。
2、微分方程应变响应约束：
传感器网络的应变响应由微分方程(可调整)的极点决定，所有极点必须位于左半平面。
3.传感器响应时间约束：
传感器的时间常数τ必须满足系统的快速响应要求τ≤τmax。
目标函数的求解：基于梯度的优化算法(如共轭梯度法)或全局优化算法(如遗传算法)来求解多约束优化问题。根据优化结果，调整权重系数w1,w2,w3和设计参数x，进行多次迭代直到找到最优解。
从而，根据上述的目标函数及传感器布置参数计算结果，确定所述多个光纤光栅温度传感器12采用固定胶高温固化后集成到两片衬底材料14之间，沿着对角线从上到下均布于侧表面和两电芯中心，并采用同一根光纤波分复用的方式连到同一解调系统，便于对各种不同位置的阵列温度应变光纤传感器采集的温度和应变信号进行区分，方便实现数字信号处理系统的简单化。
更进一步的，采用高温固化温度传感器固定胶安装将光纤光栅温度传感器12和光纤光栅应变传感器13固定在衬底材料14上，光纤光栅温度传感器12为避免应力对其温度测量的影响需要将其松弛后，两端用传感器固定胶固定。阵列光纤光栅温度传感器12中布拉格光栅中心间距(10～30)mm。其中，阵列光纤光栅应变传感器13一端采用高温固化温度传感器固定胶安装在衬底材料14上，在固定另一端之前，采用光谱预拉伸技术，对阵列光纤光栅应变传感器13的初始波长将进行拉伸，拉伸量为(1.5～5.0)nm，拉伸完成后采用温度传感器固定胶把另一端固定在衬底材料14上。阵列光纤光栅应变传感器13布拉格光栅中心间距(10～30)mm。
具体的，衬底材料14为耐腐蚀PET膜。
在一些实施例中，还包括显示及预警单元4，所述显示及预警单元与所述数据处理单元3通信连接，用于接收并显示所述电池SOC值，并比较所述电池SOC值与阈值的大小关系，若所述电池SOC值超过阈值，则报警。
在本实施例中，显示及预警单元通过连接到数据处理单元3，显示及预警单元可以实时获取电池的SOC值，并根据预设的阈值来判断电池的状态是否在安全范围内。这种预警功能可以帮助用户及时发现潜在的安全问题，避免电池过充或过放，从而延长电池的使用寿命，提高电池的安全性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，包括：光纤传感网络、光纤光栅解调仪和数据处理单元；
所述光纤传感网络的主体内置于锂离子电池内部，所述光纤传感网络用于获取锂离子电池内部的温度信号和应变信号；
所述光纤光栅解调仪与所述光纤传感网络通信连接，用于接收所述温度信号和所述应变信号，并将解调后的温度信号和应变信号发送至数据处理单元；
所述数据处理单元与所述光纤光栅解调仪通信连接，用于基于所述解调后的温度信号和应变信号，确定电池SOC值。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，所述光纤传感网络包括单体光纤、多个光纤光栅温度传感器、多个光纤光栅应变传感器和衬底材料，所述多个光纤光栅温度传感器和所述多个光纤光栅应变传感器均贴覆于所述单体光纤，所述衬底材料包覆于所述多个光纤光栅温度传感器和所述多个光纤光栅应变传感器并与所述单体光纤固定连接。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，所述多个光纤光栅应变传感器沿着所述单体光纤的延伸方向间隔分布于锂离子电池内部，所述多个光纤光栅应变传感器用于获取充放电过程中电池内部电芯不同区域的形变状态。
4.根据权利要求3所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，所述多个光纤光栅温度传感器沿着所述单体光纤的延伸方向间隔分布于锂离子电池内部，所述多个光纤光栅温度传感器与所述多个光纤光栅应变传感器一一对应分布，用于获取充放电过程中电池内部电芯不同区域的温度信息。
5.根据权利要求2所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，所述光纤传感网络还包括充放电行为预测单元，所述充放电行为预测单元用于：
基于锂离子电池内部传热状态方程，确定锂离子电池内外温差传递函数；
根据内外温差传递函数，采用集总参数模型确定电池在不同条件下的充放电行为，并确定锂离子单体电池的温度测量点。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，所述光纤传感网络还包括应变系统参数确定单元，所述应变系统参数确定单元用于：
根据光纤布拉格光栅二阶模型应变响应微分方程理论确定阵列光纤光栅的应变系统参数。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，所述光纤传感网络还包括目标函数确定单元，所述目标函数确定单元用于：
根据所述锂离子电池内外温差传递函数和光纤布拉格光栅二阶模型应变响应微分方程的约束条件，确定目标函数。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，基于所述目标函数，确定所述多个光纤光栅温度传感器分别安装于电池内部电芯侧面以及两电芯中心，所述多个光纤光栅应变传感器分别安装于电池内部电芯侧面以及两电芯中心。
9.根据权利要求2所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，所述衬底材料为耐腐蚀PET膜。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池单体内部状态监测系统，其特征在于，还包括显示及预警单元，所述显示及预警单元与所述数据处理单元通信连接，用于接收并显示所述电池SOC值，并比较所述电池SOC值与阈值的大小关系，若所述电池SOC值超过阈值，则报警。
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| CN202410236960.1A CN118011208A (zh) | 2024-03-01 | 2024-03-01 | 一种锂离子电池单体内部状态监测系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118299696A (zh) * | 2024-06-05 | 2024-07-05 | 光子行智能科技(常州)有限公司 | 电池、电池系统以及光纤传感器 |
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2024
- 2024-03-01 CN CN202410236960.1A patent/CN118011208A/zh active Pending
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