CN118050090A - 一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，包括免应力感温片、超弱光纤光栅、感温结构件、裸纤以及超弱光纤光栅解调仪。本技术方案中在各个储能电池上安装免应力感温片与超弱光纤光栅，免应力感温片将储能电池上的热量传导到超弱光纤光栅上，超弱光纤光栅令光纤信号产生波长漂移，超弱光纤光栅解调仪根据该波长漂移量计算储能电池的温度变化量，最后再根据该温度变化量得出储能电池的实时温度，与现有技术相比，系统的线路连接得到简化，储能电池温度检测准确度高，稳定性与安全性高。

Description

一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统

技术领域

本发明涉及智能检测技术领域，更具体地说本发明涉及一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统。

背景技术

对于储能电池充放电过程中的温度实时监控是储能系统安全稳定运行的重要保障，而且由于储能系统使用过程中，储能电池的充放电次数和性能存在差异，对所有储能电池的运行温度进行监控能帮助电路系统更智能地平衡各个电池的使用次数或者替换掉损坏的电池，使整个储能系统更稳定，安全，经济地持续运行下去，特别是在储能系统大规模使用时，能产生巨大的经济效益。

目前对于储能系统内部的电池监控大都使用热敏电阻的测温电路进行检测，整个测温电路接口数量多，布线麻烦，而且检测温度需要储能系统正常供电才能正常工作，一旦电池发生损坏造成储能系统发生损坏，则温度检测系统也会停止工作，使储能系统的安全性、稳定性降低还增加了制作成本。

发明内容

为解决上述一个或多个技术问题，本发明的目的在于提供一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统。

本发明为解决问题所采用的技术方案是：

一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，包括：

免应力感温片，配置有多个，安装在储能电池上，用于感知储能电池的温度变化；

超弱光纤光栅，配置的数量与所述免应力感温片配置的数量一致，与所述免应力感温片相连接，用于接收所述免应力感温片所传导的热量；

感温结构件，用于为储能电池、所述免应力感温片以及所述超弱光纤光栅提供安装载体；

裸纤，配置有多个，其两端与相邻的所述超弱光纤光栅相连接；

超弱光纤光栅解调仪，用于与所述超弱光纤光栅和/或所述裸纤相连接，所述超弱光纤光栅解调仪被配置为根据所接收的光信号计算储能电池的温度变化量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述感温结构件包括平板，所述平板上设置有多个隔板，各个所述隔板相互间平行且等间隔分布，相邻两个所述隔板之间的间隔与储能电池的直径一致，所述免应力感温片以及所述超弱光纤光栅均安装在储能电池与所述平板所接触的位置。

作为上述技术方案的进一步改进，所述免应力感温片包括呈方块状的感温件，所述感温件的一面设置有凹槽，所述免应力感温片的凹槽与所述超弱光纤光栅的形状尺寸相匹配，所述超弱光纤光栅置于所述免应力感温片的凹槽内。

作为上述技术方案的进一步改进，在所述免应力感温片的凹槽与所述超弱光纤光栅之间设有导热油。

作为上述技术方案的进一步改进，各个所述超弱光纤光栅均处于松弛状态，各个所述超弱光纤光栅均通过粘胶的方式固定在所述感温结构件上。

作为上述技术方案的进一步改进，各个所述裸纤均通过粘胶的方式固定在所述感温结构件上，所述裸纤的弯曲半径大于其最小半径。

作为上述技术方案的进一步改进，所述超弱光纤光栅解调仪包括：

标定模块，用于对储能电池的初始温度与所述超弱光纤光栅的初始波长进行标定；

识别模块，用于获取所述超弱光纤光栅的波长漂移量；

计算模块，用于根据所述超弱光纤光栅的波长漂移量计算储能电池的温度变化量，并根据所述温度变化量与所述初始温度计算储能电池的实时温度。

作为上述技术方案的进一步改进，所述计算模块中根据表达式计算储能电池的温度变化量，其中λ_B表示光栅中心波长，K_T为常数，Δλ_B表示所述超弱光纤光栅的波长漂移量，ΔT表示储能电池的温度变化量。

本发明的有益效果是：本技术方案中在各个储能电池上安装免应力感温片与超弱光纤光栅，免应力感温片将储能电池上的热量传导到超弱光纤光栅上，超弱光纤光栅令光纤信号产生波长漂移，超弱光纤光栅解调仪根据该波长漂移量计算储能电池的温度变化量，最后再根据该温度变化量得出储能电池的实时温度，与现有技术相比，系统的线路连接得到简化，储能电池温度检测准确度高，稳定性与安全性高。

附图说明

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步解释说明。

图1是本发明中感温结构件、超弱光纤光栅与裸纤的组装示意图；

图2是本发明中感温结构件、免应力感温片与裸纤的组装示意图；

图3是本发明中感温结构件的结构示意图；

图4是本发明中免应力感温片的结构示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图4，本申请公开了一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其第一实施例，包括：

免应力感温片100，配置有多个，安装在储能电池上，用于感知储能电池的温度变化；

超弱光纤光栅200，配置的数量与所述免应力感温片100配置的数量一致，与所述免应力感温片100相连接，用于接收所述免应力感温片100所传导的热量；

感温结构件300，用于为储能电池、所述免应力感温片100以及所述超弱光纤光栅200提供安装载体；

裸纤400，配置有多个，其两端与相邻的所述超弱光纤光栅200相连接；

超弱光纤光栅解调仪，用于与所述超弱光纤光栅200和/或所述裸纤400相连接，所述超弱光纤光栅解调仪被配置为根据所接收的光信号计算储能电池的温度变化量。

具体的，本实施例中，在各个储能电池上安装所述免应力感温片100与所述超弱光纤光栅200，所述免应力感温片100将储能电池上的热量传导到所述超弱光纤光栅200上，所述超弱光纤光栅200令光纤信号产生波长漂移，所述超弱光纤光栅解调仪根据该波长漂移量计算储能电池的温度变化量，最后再根据该温度变化量得出储能电池的实时温度，与现有技术相比，本实施例的线路连接得到简化，储能电池温度检测准确度高，稳定性与安全性高。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述感温结构件300包括平板310，所述平板310上设置有多个隔板320，各个所述隔板320相互间平行且等间隔分布，相邻两个所述隔板320之间的间隔与储能电池的直径一致，所述免应力感温片100以及所述超弱光纤光栅200均安装在储能电池与所述平板310所接触的位置。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述免应力感温片100包括呈方块状的感温件110，所述感温件110的一面设置有凹槽120，所述免应力感温片100的凹槽120与所述超弱光纤光栅200的形状尺寸相匹配，所述超弱光纤光栅200置于所述免应力感温片100的凹槽120内。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，在所述免应力感温片100的凹槽120与所述超弱光纤光栅200之间设有导热油，进而提高所述免应力感温片100的热传导效率，提高本实施例对储能电池温度变化检测的准确度。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，各个所述超弱光纤光栅200均处于松弛状态，各个所述超弱光纤光栅200均通过粘胶的方式固定在所述感温结构件300上。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，各个所述裸纤400均通过粘胶的方式固定在所述感温结构件300上，所述裸纤400的弯曲半径大于其最小半径，以此保证无需增加通光损耗。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述超弱光纤光栅解调仪包括：

标定模块，用于对储能电池的初始温度与所述超弱光纤光栅200的初始波长进行标定；

识别模块，用于获取所述超弱光纤光栅200的波长漂移量；

计算模块，用于根据所述超弱光纤光栅200的波长漂移量计算储能电池的温度变化量，并根据所述温度变化量与所述初始温度计算储能电池的实时温度。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中，所述计算模块中根据表达式计算储能电池的温度变化量，其中λ_B表示光栅中心波长，K_T为常数，Δλ_B表示所述超弱光纤光栅200的波长漂移量，ΔT表示储能电池的温度变化量。

本实施例中，光纤布拉格光栅是一种使用强烈的紫外线激光以空间变化的方式而刻录在标准、单模光纤中心的光学传感器。短波长紫外线光子具有足够的能量打破高稳定度的氧化硅粘结料，破坏光纤的结构并轻微增加其折射率。两条连续的激光束之间或光纤与其遮罩物的干涉，会使紫外线光产生强烈的空间周期性变化，从而导致光纤的折射率相应地产生周期性的变化。在发生此变化的光纤区域形成的光栅会变为一个波长选择镜像：光沿着光纤往下传播并在每个微小变化处发生反射，但这些反射会在大多数波长上产生破坏性的干涉，并沿着光纤连续传播。然而，在某个特定的窄带波长范围内，会产生有用的干涉，这些干涉会沿着光纤返回。超弱光纤光栅200是对反射率低于0.1％光纤光栅的统称，它继承了传统FBG无源、波长解调、高精度等优势，单光纤可复用光栅的数量高达上万个，具有超大容量的特点。

在大规模光纤光栅传感网络的光路系统中，随着传感器复用数目的增加，累积噪声也相对增加，主要有光谱阴影效应和光栅之间多次反射串扰噪声。

在串行结构的光纤光栅传感阵列中，光脉冲信号进入到光纤光栅传感阵列，每经过一个光纤光栅就会有部分光脉冲反射回来，从而使光脉冲轮廓产生凹陷，途径一定数量的光纤光栅后，中心波长处功率几乎降为零。这种现象就是光谱阴影效应。当光脉冲经过光纤光栅传感阵列时，下游光谱表达式为

其中，R_i是第i个光栅的反射率，f_i(λ,λ_B)是第i个光栅的响应函数，λ_B是光栅的中心波长，光脉冲途径n-1个光栅入射到第n个光栅，经过光栅反射后再送回输入端，其反射信号表达式为

从以上两个表达式可以得出从上式可以看出，第n个光栅的反射谱形状受传输过程中经过的所有光栅光谱的影响，其光强与输入光强及每个光栅的反射率有关，通过降低光栅的反射率可以减少光脉冲在中心波长处的凹陷，从而增加传感器的复用数目，因此在大容量光纤光栅传感网络中使用超弱光纤光栅200作为传感单元可以有效抑制光谱阴影效应。

在同一根光纤上的两个光栅之间会形成一个谐振腔，光脉冲在谐振腔内会产生多重反射，脉冲光信号首先进入到上游的光纤光栅，并在光纤光栅之间进行往返，造成多次反射，当多次反射的光信号到达光电探测器的光程与下游的光栅单次反射到达光电探测器的光程相等时，就会产生一种串扰噪声，导致测量光谱失真，从而影响测量精度。

假定在一根光纤上刻写n个反射率为R(λ)的全同超弱光纤光栅200，其中与第i个光纤光栅反射光到达探测器光程相等的一阶多次反射路径有N种

第i个光栅的一阶多次反射表达式为

从上式可以看出，光栅的反射率直接影响一阶多次反射串扰大小，反射率越低，多次反射率串扰越小。

超弱光纤光栅200波长λ_B由下式决定，λ_B＝2n_effΛ，式中，n_eff为激光在光纤内传播的有效折射率，Λ为超弱光纤光栅的周期。λ_B是Λ和n_eff的函数。

当超弱光纤光栅一直处于温度均衡的环境当中，其温度传感的数学模型可表示为

式中表示光纤光栅折射率的温度系数，也可以用ξ来替代，(n_eff)_ep为热膨胀效应的光弹性效应，/>表示纤芯区域内的波导效应，/>表示线性热膨胀系数，也可以用α代替，即上式可表示为/>

由光弹效应公式为

由波导效应公式为

因光弹性效应、波导效应和温度改变导致传感系统应力发生变化，从而引起的光纤光栅中心波长漂移灵敏度系数表达式为其中，ε_ij表示介电常数，在不同环境的影响下，其赋值也会随之发生变化，P_ij为压力光学系数，α为光纤光栅的纤芯半径，K_wg为中心波长漂移系数，其中K_wg表达式为/>超弱光纤光栅的温度灵敏度系数为/>由上式可以得出，当K_T为常数时，温度变化量与超弱光纤光栅中心波长漂移量之间呈线性变化。

当储能电池的温度发生变化时，温度变化将热量通过紧密贴合的所述免应力感温片100传递到所述超弱光纤光栅200上，从而引起所述超弱光纤光栅200的反射波长产生漂移，通过所述超弱光纤光栅解调仪实时解调出所述超弱光纤光栅200的反射波长漂移量，从而得到储能电池的温度变化量。

进一步作为优选的实施方式，本实施例中具体还配置有光缆、光纤法兰盘、光纤接头、电池机箱、机柜、铠装光缆等器件以将整体系统安装完成。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，包括：

免应力感温片(100)，配置有多个，安装在储能电池上，用于感知储能电池的温度变化；

超弱光纤光栅(200)，配置的数量与所述免应力感温片(100)配置的数量一致，与所述免应力感温片(100)相连接，用于接收所述免应力感温片(100)所传导的热量；

感温结构件(300)，用于为储能电池、所述免应力感温片(100)以及所述超弱光纤光栅(200)提供安装载体；

裸纤(400)，配置有多个，其两端与相邻的所述超弱光纤光栅(200)相连接；

超弱光纤光栅解调仪，用于与所述超弱光纤光栅(200)和/或所述裸纤(400)相连接，所述超弱光纤光栅解调仪被配置为根据所接收的光信号计算储能电池的温度变化量。

2.根据权利要求1所述的一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，所述感温结构件(300)包括平板(310)，所述平板(310)上设置有多个隔板(320)，各个所述隔板(320)相互间平行且等间隔分布，相邻两个所述隔板(320)之间的间隔与储能电池的直径一致，所述免应力感温片(100)以及所述超弱光纤光栅(200)均安装在储能电池与所述平板(310)所接触的位置。

3.根据权利要求2所述的一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，所述免应力感温片(100)包括呈方块状的感温件(110)，所述感温件(110)的一面设置有凹槽(120)，所述免应力感温片(100)的凹槽(120)与所述超弱光纤光栅(200)的形状尺寸相匹配，所述超弱光纤光栅(200)置于所述免应力感温片(100)的凹槽(120)内。

4.根据权利要求3所述的一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，在所述免应力感温片(100)的凹槽(120)与所述超弱光纤光栅(200)之间设有导热油。

5.根据权利要求1所述的一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，各个所述超弱光纤光栅(200)均处于松弛状态，各个所述超弱光纤光栅(200)均通过粘胶的方式固定在所述感温结构件(300)上。

6.根据权利要求1所述的一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，各个所述裸纤(400)均通过粘胶的方式固定在所述感温结构件(300)上，所述裸纤(400)的弯曲半径大于其最小半径。

7.根据权利要求1所述的一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，所述超弱光纤光栅解调仪包括：

标定模块，用于对储能电池的初始温度与所述超弱光纤光栅(200)的初始波长进行标定；

识别模块，用于获取所述超弱光纤光栅(200)的波长漂移量；

计算模块，用于根据所述超弱光纤光栅(200)的波长漂移量计算储能电池的温度变化量，并根据所述温度变化量与所述初始温度计算储能电池的实时温度。

8.根据权利要求7所述的一种基于超弱光纤光栅的储能电池感温监测系统，其特征在于，所述计算模块中根据表达式计算储能电池的温度变化量，其中λ_B表示光栅中心波长，K_T为常数，Δλ_B表示所述超弱光纤光栅(200)的波长漂移量，ΔT表示储能电池的温度变化量。