CN214753885U - 一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电池监测管理技术领域，具体公开了一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其中，包括：光源，能够发出光信号；光纤传感器，与所述光源连接，且位于所述液态锌离子电池的电解液中，能够监测所述液态锌离子电池充放电过程中对所述光信号的响应信号，探测器，与所述光纤传感器连接，能够记录在所述液态锌离子电池充放电过程中所述光纤传感器的输出波长；充放电测试仪，与所述液态锌离子电池连接，用于实现所述液态锌离子电池的充放电。本实用新型提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置能够精确的反映电池实际的荷电状态。

Description

一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置

技术领域

本实用新型涉及电池监测管理技术领域，尤其涉及一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置。

背景技术

清洁能源如太阳能风能等具有强度随时间变化不规律，空间分布不均匀的特点，因此不能直接并入电网，需要有一个本地的储能系统将产生的电能收集起来再统一并入电网。液态锌离子电池作为二次锌基电池具有成本低廉、环境友好、能量密度高和倍率性能好的优点，被认为是可大规模应用于储能领域的电池技术。

然而，在储能系统中，需要对电池的荷电状态进行监测，以实时了解电池的情况，以更好地进行电池管理。当前，电池荷电状态的监测方法主要有开路电压法和安时积分法。开路电压法根据理想状态下充放电曲线中荷电状态和电压的一一对应关系确定当前状态下的荷电状态，电池达到开路电压需要长时间静置因而不适于荷电状态的实时监测；安时积分法通过计算当前循环放出的电量与上一循环周期中完全放出电量的比值计算电池当前的荷电状态，由于电池每次充放电存在老化且每一循环中电池的工作条件不一定相同因而会产生较大误差。这两种方法都基于外部的测量的电压电流信息估测电池内部的荷电状态不能满足电池荷电状态在线监测的需求。

发明内容

本实用新型提供了一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，解决相关技术中存在的无法实现准确反映电池内部的荷电状态的问题。

作为本实用新型的一个方面，提供一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其中，包括：

光源，能够发出光信号；

光纤传感器，与所述光源连接，且位于所述液态锌离子电池的电解液中，能够监测所述液态锌离子电池充放电过程中对所述光信号的响应信号，

探测器，与所述光纤传感器连接，能够记录在所述液态锌离子电池充放电过程中所述光纤传感器的输出波长；

充放电测试仪，与所述液态锌离子电池连接，用于实现所述液态锌离子电池的充放电。

进一步地，所述光纤传感器包括长周期光栅、光纤法布里-珀罗传感器和锥形光纤干涉仪中的任意一种。

进一步地，所述光源包括宽谱光源，所述光源发出的光信号的波长在1510nm~1590nm之间。

进一步地，所述液态锌离子电池包括容器和位于所述容器内的电解液，所述光纤传感器固定在所述电解液中。

进一步地，所述电解液包括水相溶液和有机相溶液，所述水相溶液和有机相溶液能够分层设置，所述有机相溶液在所述水相溶液上层，所述光纤传感器固定在所述水相溶液中。

进一步地，所述液态锌离子电池还包括设置在所述有机相溶液上方的正极集流体以及设置在所述水相溶液下方的负极金属导电电极，所述正极集流体与所述充放电测试仪的正极连接，所述负极金属导电电极与所述充放电测试仪的负极连接。

本实用新型提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，通过光纤传感器监测电解液对光信号的响应，而电解液中的物质扩散是很快的，不需要长时间静置，同时光纤传感器所采集的光信号只与电解液内部的化学状态有关，而与电池的负载大小无关，可以更精确得反映电池实际的荷电状态。因此，本实用新型提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，通过实时监测电化学反应过程中的离子浓度变化，实现电池荷电状态的测量，相比于通过监控电压电流信息的开路电压法和安时积分法，电量估算更加准确有效。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。

图1为本实用新型提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置的结构示意图。

图2为本实用新型提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置的俯视图。

图3为本实用新型提供的一次充放电循环过程中电压随时间变化曲线和电流随时间变化曲线图。

图4为本实用新型提供的一次充放电循环过程中传感器中心波长随时间变化的数据点示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本实施例中提供了一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，图1是根据本实用新型实施例提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置的结构示意图，如图1和图2所示，包括：

光源8，能够发出光信号；

光纤传感器7，与所述光源8连接，且位于所述液态锌离子电池的电解液中，能够监测所述液态锌离子电池充放电过程中对所述光信号的响应信号，

探测器9，与所述光纤传感器7连接，能够记录在所述液态锌离子电池充放电过程中所述光纤传感器7的输出波长；

充放电测试仪4，与所述液态锌离子电池连接，用于实现所述液态锌离子电池的充放电。

应当理解的是，本实用新型实施例通过光纤传感器监测电解液对光信号的响应，而电解液中的物质扩散是很快的，不需要长时间静置，同时光纤传感器所采集的光信号只与电解液内部的化学状态有关，而与电池的负载大小无关，可以更精确得反映电池实际的荷电状态。因此，本实用新型提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，通过实时监测电化学反应过程中的离子浓度变化，实现电池荷电状态的测量，相比于通过监控电压电流信息的开路电压法和安时积分法，电量估算更加准确有效。

在一些实施方式中，所述光纤传感器7包括长周期光栅、光纤法布里-珀罗传感器和锥形光纤干涉仪中的任意一种。

应当理解的是，光纤传感器7还可以采用其他能够实现上述功能的传感器实现，此处并不做限定。

具体地，所述光源8包括宽谱光源，所述光源8发出的光信号的波长在1510nm~1590nm之间。

在本实用新型实施例中，所述液态锌离子电池包括容器3和位于所述容器3内的电解液，所述光纤传感器7固定在所述电解液中。

具体地，所述电解液包括水相溶液6和有机相溶液5，所述水相溶液6和有机相溶液5能够分层设置，所述有机相溶液5在所述水相溶液6上层，所述光纤传感器7固定在所述水相溶液6中。

在本实用新型实施例中，所述水相溶液6包括硫酸镁和硫酸锌等。

具体地，所述液态锌离子电池还包括设置在所述有机相溶液5上方的正极集流体1以及设置在所述水相溶液6下方的负极金属导电电极2，所述正极集流体1与所述充放电测试仪4的正极连接，所述负极金属导电电极2与所述充放电测试仪4的负极连接。

在本实用新型实施例中，所述光纤传感器7以长周期光纤光栅为例，长周期光纤光栅使用紫外刻写的方式制备，其长度约为5mm，栅格周期约为500nm。将长周期光纤光栅传感器放置在含有正负电极的容器3中，倒入硫酸镁和硫酸锌的水溶液6，以及正极活性物质的有机相溶液5。在本实施例中，正极活性物质为2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物TEMPO，可以在氧化态和还原态之间转化。有机相溶剂为四乙二醇二甲醚。容器3中的负极为锌极片，使用紫外胶固定在容器底部，正极采用集流体，为碳纤维毡。锌负极与长周期光纤光栅在空间上应留有一定间距。

本实施例中锌电池正负极同充放电测试仪4相连，锌电池充放电过程中水性电解液中的组分浓度发生变化，导致放置在其中的长周期光纤光栅传感器所处的液体环境的折射率发生变化，从而使得探测器9探测到的光纤传感器7的输出波长发生变化。

在本实用新型实施例中，液态锌离子电池以恒定电流60mA充放电，电压电流随时间变化如图3所示，使用探测器追踪光纤传感器的波长变化信息如图4所示。根据电压电流变化曲线计算得到电池的荷电状态信息，并与传感器中心波长的变化信息进行比较，可以根据电池中光纤传感器中心波长的位置得到电池的荷电状态信息。

具体工作原理如下：

光波在光纤中传播至光栅区域时，部分光会以辐射模的形式向包层衍射，形成包层模；包层模反射回纤芯时会与纤芯模形成模式干涉，在光谱上表现形式为共振包络。当外界环境的离子浓度发生变化时，光纤光栅区域周围的折射率也会发生变化，导致包层模的有效折射率发生变化，因此干涉光谱的共振波长会发生漂移，通过追踪波长漂移与离子浓度的变化关系，即可间接地获得离子浓度信息。由离子浓度信息，可将电解质溶液中的离子迁移过程反演出来，从而获得电池的荷电状态。

应当理解的是，通过其他荷电状态监测方法实现时，例如通过开路电压法监测时，开路电压法根据理想状态下充放电曲线中荷电状态和电压的一一对应关系确定当前状态下的荷电状态，电池达到开路电压需要长时间静置因而不适于荷电状态的实时监测；由于过电位的存在，电池充电过程中的实际电压会高于开路电压，而放电过程中的电压会低于开路电压，图2记录的数据反映的是实际电压，并不能当成开路电压使用。开路电压需要电池经过长时间（两小时以上），因为需要电极表面的物质充分扩散。

再例如，通过安时积分法时，安时积分法通过计算当前循环放出的电量与上一循环周期中完全放出电量的比值计算电池当前的荷电状态，由于电池每次充放电存在老化且每一循环中电池的工作条件不一定相同因而会产生较大误差。高功率负载下电池的容量会低于额定容量，因此上一周期的容量，并不能等于本次周期的容量。

而本实用新型实施例通过光纤传感器实现监测电解液中对光信号的响应，电解液中的物质扩散是很快的，不需要长时间静置。同时光纤所采集的光信号至于溶液内部的化学状态有关，而与电池的负载大小无关，可以更精确得反映电池实际的荷电状态。

作为本实用新型的另一实施例，提供一种根据前文所述的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置实现的液态锌离子电池荷电状态在线监测方法，其中，包括：

将光纤传感器置于所述液态锌离子电池的电解液中；

依次连接光源、光纤传感器和探测器，并将充放电测试仪与所述液态锌离子电池连接；

在所述液态锌离子电池充放电时，所述探测器记录所述光纤传感器的输出波长。

具体地，所述液态锌离子电池包括容器和位于所述容器内的电解液，所述电解液包括水相溶液和有机相溶液，所述水相溶液和有机相溶液能够分层设置，所述有机相溶液在所述水相溶液上层，所述将光纤传感器置于所述液态锌离子电池的电解液中，包括：

将所述光纤传感器固定在所述水相溶液中。

具体地，所述液态锌离子电池还包括设置在所述有机相溶液上方的正极集流体以及设置在所述水相溶液下方的负极金属导电电极，所述将充放电测试仪与所述液态锌离子电池连接，包括：

将所述正极集流体与所述充放电测试仪的正极连接，将所述负极金属导电电极与所述充放电测试仪的负极连接。

关于本实用新型实施例提供的液态锌离子电池荷电状态在线监测方法的具体工作过程可以参照前文的描述，此处不再赘述。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其特征在于，包括：

光源，能够发出光信号；

光纤传感器，与所述光源连接，且位于所述液态锌离子电池的电解液中，能够监测所述液态锌离子电池充放电过程中对所述光信号的响应信号，

探测器，与所述光纤传感器连接，能够记录在所述液态锌离子电池充放电过程中所述光纤传感器的输出波长；

充放电测试仪，与所述液态锌离子电池连接，用于实现所述液态锌离子电池的充放电。

2.根据权利要求1所述的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其特征在于，所述光纤传感器包括长周期光栅、光纤法布里-珀罗传感器和锥形光纤干涉仪中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其特征在于，所述光源包括宽谱光源，所述光源发出的光信号的波长在1510nm~1590nm之间。

4.根据权利要求1所述的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其特征在于，所述液态锌离子电池包括容器和位于所述容器内的电解液，所述光纤传感器固定在所述电解液中。

5.根据权利要求4所述的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其特征在于，所述电解液包括水相溶液和有机相溶液，所述水相溶液和有机相溶液能够分层设置，所述有机相溶液在所述水相溶液上层，所述光纤传感器固定在所述水相溶液中。

6.根据权利要求5所述的液态锌离子电池荷电状态在线监测装置，其特征在于，所述液态锌离子电池还包括设置在所述有机相溶液上方的正极集流体以及设置在所述水相溶液下方的负极金属导电电极，所述正极集流体与所述充放电测试仪的正极连接，所述负极金属导电电极与所述充放电测试仪的负极连接。

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