CN219200660U - 一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，包括光纤测温模块，光纤测温模块上的尾纤与六根智能光缆熔接于一个光纤接头盒内，每根光缆固定连接在一个薄膜面上，每个薄膜面分别设置在动力电池仓的六个面上。本实用新型创新性地采用了6个面组成的3维立体温度场，可以无死角的温度监测，任何一个三维坐标点的温度发生变化都会实时提醒车主进行检查，防止漏报警。创新地使用了一缆双芯的备份方案，即使任何一个位置光纤断裂，从环状结构变成两个半环状结构，设备可以自动准确的判断光纤断裂位置，及时给出预警，同时从双端测量模式变成单端双通道测量模式，可以在不维修的情况，继续给锂电池保驾护航。

Description

一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统

技术领域

本实用新型涉及新能源动力电池(包含各类新能源动力电池及储能电池)的立体安全监测，具体涉及一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统。

背景技术

随着电动浪潮进入了白热化，市场上的新能源汽车也越来越多，部分消费者也逐渐接受新能源汽车，但还有一部分消费者对新能源汽车充满了抗拒，除了续航里程、补能时间之外，他们更担心新能源汽车的安全性，“自燃”是如今新能源汽车怎么都绕不过去的障碍。

新能源汽车发生自燃，一般都是动力电池发生热失控，其中包括自身热失控，外部高热环境和碰撞等原因导致。一旦新能源发生自燃，火势蔓延快，还会产生一系列连锁反应，留给乘客逃生的空间和时间很少，尤其是液态电解液的锂离子动力电池一旦自燃，所存电量会快速释放，从而产生爆燃，几秒钟或者几十秒钟火势就已经覆盖整个车内空间，车内乘客的逃生概率非常小。

通常来说，汽车动力锂电池热失控从低温到高温电池会经历如下过程：

SEI膜的分解；

电解液与负极的反应；

隔膜熔化过程；

正极的分解反应；

电解质的分解反应；

黏结剂分解及电解质燃烧反应。

电池热失控过程与电池的温度紧密相关，并且伴随着内阻增大、电压波动、气体产生、压力增大等参数的变化，而这些参数的变化为电池热失控预警提供了依据。电池预警系统都采用温感探测器对温度进行监控，当温度超过临界温度后发出预警信息进行预警。公开号为CN109580039A的专利：一种基于密集型光纤光栅温度传感器的电池温度监测系统，包括：密集型光纤光栅温度传感器，以串联的方式刻写在一根传感光纤上，每个光纤光栅温度传感器均贴合在一个汽车动力电池的正极上；光栅解调模块，与所述密集型光纤光栅温度传感器连接，用于对采集的汽车动力电池正极的温度数据进行解调；控制模块，与所述光栅解调模块连接，对解调后的光栅信息进行温度计算、定位以及报警判断；通信模块，该控制模块通过通信模块与汽车电池管理系统连接，并无线连接客户终端。其需要光栅解调模块，光栅温度传感器，并且未形成动力电池仓的三维立体温度监测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术中存在的缺陷，提供一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，创新性地采用了6个面组成的3维立体温度场，可以无死角的温度监测，任何一个三维坐标点的温度发生变化都会实时提醒车主进行检查，防止漏报警。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是设计一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，包括光纤测温模块，光纤测温模块上的尾纤与六根智能光缆熔接于一个光纤接头盒内，每根光缆固定连接在一个薄膜面上，每个薄膜面分别设置在动力电池仓的六个面上。汽车用的电池组，目前面临最大的困扰就是，热失控的问题。光纤作为传感器，本身具备柔性，易于集成，本征材料为二氧化硅。作为新型温度传感器，具有阻燃、耐腐蚀、耐高温、防油污，本征不带电、抗电磁干扰、轻量化等特点，而且寿命超过30年。光纤测温模块采用的是高空间分辨率分布式光纤测温主机，其核心为测温主机，光纤测温模块采用的是高空间分辨率分布式光纤测温主机(其采用高空间分辨率分布式光纤传感系统，就是采用集成了光时域解调与光频域解调的统一方案，其主体结构在申请人的另一同日申请一种基于拉曼光频域与光时域技术的光纤传感扫描雷达系统中具体描述：其包括光源、第一1X2光开关、第二1X2光开关、脉冲扫描模块、网络分析及数据采集单元、波形调制器、电光调制器、分光器、第一光电倍增管、第二光电倍增管、第三光电倍增管、耦合器、拉曼滤波器以及传感光纤；光源与脉冲扫描模块光信号连接，脉冲扫描模块与网络分析及数据采集单元相连，网络分析及数据采集单元用于对光源进行脉冲调制，并将脉冲调制后的光输入第一1X2光开关；网络分析及数据采集单元还与第一1X2光开关的输入端相连；第一1X2光开关的一个输出端与耦合器的输入端相连，另一个输出端与电光调制器的光输入端相连；电光调制器的光输出端连接分光器，波形调制器的输出端与电光调制器的控制输入端相连，网络分析及数据采集单元还与波形调制器的输入端相连；分光器分别与耦合器和第一光电倍增管相连，第一光电倍增管的输出端与网络分析与数据采集单元的数据采集端相连，耦合器的两个输出端口分别与拉曼滤波器和第二1X2光开关相连，拉曼滤波器的两个输出端口分别与第二光电倍增管、第三光电倍增管相连，第二光电倍增管与第三光电倍增管的输出端均与网络分析与数据采集单元的数据采集端相连；第二1X2光开关的两个输出端分别与环状传感光纤的两个输入端相连；其解调原理如下：当使用光时域解调方式的时候，该系统光源，连接ps精度的脉冲扫描模块，可通过网络分析及数据采集单元对光源进行脉冲调制，将脉冲光源通过1X2光开关来选择直接进入耦合器，在耦合器端通过另外一只光开关，决定进入端口1或者端口2的光纤，将ps精度的上升沿窄脉冲，送入到1m-20000m的传感光纤中去，再将散射回来，携带了温度信息的拉曼散射光送入到拉曼光滤波器中，分离成斯托克斯sotkes的参考光和带有温度信息的反斯托克斯anti-stokes光，分别送入到光电倍增管(APD2，APD3)中去，通过网络分析与数据采集单元的高速数据采集，形成数字信号，再将数字信息进行处理，解析出温度信息。利用斯托克斯拉曼散射光作为参考信道，通过反斯托克斯拉曼散射信号光与其作比较，从而有效地消除光源的不稳定性以及光纤传输过程中的耦合损耗、光纤接头损耗、光纤弯曲损耗和光纤传输损耗等所带来的影响。采用光频域解调方式时，将1X2光开关切换至电光调制器，网络分析及数据采集单元将通过波形调制器，直接控制电光调制器，通过99：1的分光器，将1％的调制后本征光信号送入到光电倍增管APD1中去，另外99％的调制后的光信号，在耦合器端通过另外一只光开关，决定进入端口1或者端口2的传感光纤中，同时，携带了温度信息的拉曼散射光，将通过耦合器，进入到拉曼光滤波器中，分离成斯托克斯sotkes的参考光和带有温度信息的反斯托克斯anti-stokes光，分别送入到光电倍增管(APD2，APD3)中去，通过网络分析与数据采集单元将通过APD1的本征光和通过了APD2斯托克斯sotkes以及通过了APD3的反斯托克斯anti-stokes光进行解调处理，通过傅里叶变换与反傅里叶变换，形成数字信号，再将数字信息进行处理，解析出温度信息。拉曼光频域温度解调的主要原理是，频率为f0的激光在电光调制器中被频率为fm的正弦信号调制，然后在z＝0处耦合进光纤，fm是一组离散的等距调制频率，由信号发生器产生Stokes和反Stokes光功率用雪崩光二极管检测，作为参考的输入激光(也即Stokes光)的功率用雪崩光二极管检测。检测得到的功率，通过一个数据处理系统，最后得到温度的空间分布)，测温主机采用模块化设计，可靠性高。测温主机放置于监控室，测量主机内集成了，可编程逻辑单元芯片FPGA和高性能的MCU微处理器，解调拉曼温度数据，并通过网口将所有的温度数据传输到控制软件，由控制软件组成人机交互平台。创新性的采用了6个面组成的3维立体温度场，可以无死角的温度监测，任何一个三维坐标点的温度发生变化都会实时提醒车主进行检查，防止漏报警。

进一步的技术方案是，光缆包括一根弯折呈U形的光纤芯，光纤芯的两端头位于光缆的同一端且超出光缆端部设置，光纤芯的中心部位位于光缆的另一端且超出光缆此端部设置；光纤芯的超出光缆端部的中心部位呈环状。创新地使用了一缆双芯的备份方案，即使任何一个位置光纤断裂，从环状结构变成两个半环状结构，设备可以自动准确的判断光纤断裂位置，及时给出预警，同时从双端测量模式变成单端双通道测量模式，可以在不维修的情况，继续给锂电池保驾护航。

进一步的技术方案是，薄膜面呈与电池仓的表面相仿形的形状；光纤芯的直径为1.2mm；六根光缆的共12根光纤芯接头均与光纤接头盒相连。

进一步的技术方案为，光缆呈阿基米德螺旋矩形形状；包含光纤芯两端头的光缆端部位于阿基米德螺旋矩形状的光缆的最外端。选择内外螺旋绕线方案，满足了光纤与栅格定位需求，同时，也解决了，光纤本身有弯曲半径要求的，光缆的弯曲半径应不小于光缆外径的20倍，即20mm。

进一步的技术方案为，薄膜面呈矩形形状；所述光纤接头盒内设有用于将光纤芯连成一个整体的快速连接器。

进一步的技术方案为，薄膜面包括上下两层阻燃薄膜，两层阻燃薄膜之间设有光纤芯；

上层阻燃薄膜其远离电池仓的表面上设有用于形成网格的标识线，下层阻燃薄膜其面向电池仓的一面设有胶层。

进一步的技术方案为，光缆长度为200米，光纤芯长度为400米。

本实用新型的优点和有益效果在于：

一、首创性使用了基于高空间分辨率分布式光纤测温主机的ps级别激光脉冲扫描方案，通过分布式拉曼时域与频域相结合的数据解调方案用于解决汽车锂电池安全监控的问题。

二、创新的使用了一缆双芯的备份方案，即使任何一个位置光纤断裂，从环状结构变成两个半环状结构，设备可以自动准确的判断光纤断裂位置，及时给出预警，同时从双端测量模式变成单端双通道测量模式，可以在不维修的情况，继续给锂电池保驾护航。

三、设计了密集的光纤传感器信道单元，让每个传感单元缩小至5cm，并保持稳定，从而让400米的光纤上，集成了8000个温度传感器。如此密集的温度传感器，能够监测到任何位置点的电池温度。

四、创新性的采用了6个面组成的3维立体温度场，可以无死角的温度监测，任何一个三维坐标点的温度发生变化都会实时提醒车主进行检查，防止漏报警。

五、采用有限元分解思路，解决了光纤位置与实际场景位置定标的问题，让每一个位置的光纤与栅格坐标一一对应。为批量自动化生产，带来极大的方便，在生产的时候，将光纤与网络的位置对应上。软件显示的时候，能够不需要额外定位实验，即可展示每一个网络的温度。

六、选择内外螺旋绕线方案，满足了光纤与栅格定位需求，同时，也解决了，光纤本身有弯曲半径要求的，光缆的弯曲半径应不小于光缆外径的20倍，即20mm。

七、系统软件采用3维色域图展示，直观展示温度数据，软件采用了智能温度判别算法，针对温度点，采用多点定温报警判断结合温度趋势预警，两种报警方式。

八、多个智能光纤传感薄膜，既可以方便的单独与智能光纤测温主机连接，也可以多片级连。方便不同大小，不同形状的薄膜，适应于不同的应用场景。

九、通过光学器件集成与光学方案，将智能解调仪的体积降至200mm*200mm*100mm以下，方便集成于各种环境。

附图说明

图1是本实用新型一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统的示意图；

图2是图1中光纤接头盒部分与光缆连接部分的放大示意图；

图3是图1中光缆端头的示意图；

图4是本实用新型应用于电池仓的电池仓的分解示意图；

图5是本实用新型光缆的结构的透视图；

图6是本实用新型中薄膜面的示意图；

图7是图6中阻燃薄膜与光缆的分解示意图。

图中：1、光纤测温模块；2、光缆；3、光纤接头盒；4、薄膜面；5、电池仓；6、光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1至图7所示(为便于图示，图5未示出完整长度)，本实用新型是一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，使用厘米级分布式光纤温度传感方案，在200米光缆上，形成一缆双芯的结构，共计400米的光纤，共计，每个光纤传感信道为5cm，相当于共计集成了8000个温度传感器，形成锂电池安全监测的3维立体温度场。为锂电池安全提前预警，争取时间，挽救生命。高空间分辨率分布式光纤测温主机技术方案，高空间分辨率分布式光纤测温主机是一种分布式拉曼时域与频域解调技术，利用控制器发送ps级别精度的光脉冲注入至光纤6中，通过光脉冲扫描整个光纤的所有的信道，并将每个信道的拉曼光散射信号通过时域与频域的分析，解析出每个信道的温度信息，每个信道对应的长度为5cm。通过在一个阻燃的薄膜上集成密集的光纤温度传感器，按照汽车的电池组的形态，生产定制专用的薄膜面阵式的光纤传感器，两层薄膜厚度约为3mm。薄膜生产为带网格带胶材质，上下两层，中间层为分布式光纤传感器，用于传感的光纤直径为1.2mm，所有的网格自带坐标，光纤位置与坐标一一对应，网络大小决定了光纤密度。

整个电池仓5的立体测温方案，共计6个带分布式光纤传感器的阵列面(也即薄膜面4)，其中上盖板处与底板面积最大，共计2个面，电池仓库的前后左右共计4个面。集成总光缆长度约为200米，实际光纤长度为400米，通过有限元分割原理，通过矩形网格，替代薄膜坐标，未来可机械自动化生产，附着于薄膜队列之上。形成一个完整的带密集光纤传感器的智能光纤传感薄膜。

将6根智能光缆2传感共计12个光纤接头，同时送入一个光纤接头盒3中，在光纤接头盒3内，通过快速连接器光纤连续成一个整体。按照固定的顺序依次为前->左>后->上->下->右，即ABCDEF，连接成一个环网状态，最终以一缆双芯的形态进入到光纤测温模块1之中。

通过每1秒刷新数据，每一秒更新8000个温度传感器的数据，8000个温度传感器均匀分布于锂电池仓的上下前后左右，6个面上。

通过测温软件，实时检测锂电池仓的温度场，任何一个位置，温度超过限定值，即会报警，给车上人员，及时提醒，靠边停车，及时下车，挽救生命。

分布式光纤测温技术原理如下：

高空间分辨率分布式光纤测温主机系统使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是对温度最为敏感的一种。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的。

高空间分辨率分布式光纤传感系统，技术采用集成了光时域解调与光频域解调的统一方案。

拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光(Stokes光)，如果一部分热振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光(Anti-Stokes光)。其中Stokes光强度受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。光在光纤中传输时一部分拉曼散射光(背向拉曼散射光)沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。高空间分辨率分布式光纤测温主机通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。

断裂还可以继续监测的原理如下：采用高空间分辨率分布式光纤测温技术，可以单独测量。将光纤结成环状结构，即每一种光模块都有两个接口，如A1,B1，设备是双通道的，正常测量的时候是A1测到A2，这个区段的光纤。如果中间断裂。那就可以A1->断点，A2->断点。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，其特征在于，包括光纤测温模块，光纤测温模块上的尾纤与六根智能光缆熔接于一个光纤接头盒内，每根光缆固定连接在一个薄膜面上，每个薄膜面分别设置在动力电池仓的六个面上；光缆包括一根弯折呈U形的光纤芯，光纤芯的两端头位于光缆的同一端且超出光缆端部设置，光纤芯的中心部位位于光缆的另一端且超出光缆此端部设置；光纤芯的超出光缆端部的中心部位呈环状。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，其特征在于，所述薄膜面呈与电池仓的表面相仿形的形状；光纤芯的直径为1.2mm；六根光缆的共12根光纤芯接头均与光纤接头盒相连。

3.根据权利要求2所述的一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，其特征在于，所述光缆呈阿基米德螺旋矩形形状；包含光纤芯两端头的光缆端部位于阿基米德螺旋矩形状的光缆的最外端。

4.根据权利要求3所述的一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，其特征在于，所述薄膜面呈矩形形状；所述光纤接头盒内设有用于将光纤芯连成一个整体的快速连接器。

5.根据权利要求4所述的一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，其特征在于，所述薄膜面包括上下两层阻燃薄膜，两层阻燃薄膜之间设有光纤芯；

上层阻燃薄膜其远离电池仓的表面上设有用于形成网格的标识线，下层阻燃薄膜其面向电池仓的一面设有胶层。

6.根据权利要求5所述的一种动力电池组分布式光纤传感安全监测系统，其特征在于，所述光缆长度为200米，光纤芯长度为400米。

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