CN114166370A - 一种动力电池内部核心温度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力电池内部核心温度的检测方法，该检测方法包括终端PC机、波长解调仪、内置光纤光栅传感器阵列的电池、光纤线以及通信线，所述终端PC机通过通信线与所述波长解调仪相连接，所述内置光纤光栅传感器阵列的电池通过光纤线与所述波长调节仪相连接；所述波长解调仪包括宽带光源发射器、3dB耦合器、F‑P滤波器、光电检测信号放大器以及数据采集卡，所述内置光纤光栅传感器阵列的电池包括电池壳以及卡合于所述电池壳上方的电池上盖，所述电池壳内卷绕有若干圈芯包，所述芯包上阵列有若干个光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器由光纤线以及串联于光纤线上的多个不同波长的光纤光栅组成。

Description

一种动力电池内部核心温度的检测方法

技术领域

本发明主要应用于动力电池制造与应用领域。技术领域，具体为一种动力电池内部核心温度的检测方法。

背景技术

结合电动汽车2025规划与储能行业发展指导意见，动力电池等多种储能产品进入高速发展期，随着动力电池能量密度不断提高，其安全性能成为动力电池应用的重要制约因素之一，动力电池在充放电过程中内部核心温度数据可作为动力电池安全性能的重要预判数据；为了提高动力电池的安全性能，防止动力电池热失控与内短路，有必要实时测量动力电池应用过程中的内部核心数据。

现有的动力电池温度测量有许多不足之处如下：

1.大多数动力电池未设计内部核心温度测量，只能测试动力电池壳体表面温度，内部核心最高温度很难准确获取，无法及时测量内部核心温度变化，不能及时预警存在安全隐患；

2.有些动力电池在生产卷绕过程中，将温度测量探头固定在电池内部的预设位置，经过导线连接至测试系统，该方式存在影响动力电池卷绕形状，造成一定面积形变，电流分布不均、极化大等影响，同时存在内短路风险；

3.动力电池内部核心温度测量方式多通过多个温度探头采样点来测量温度，温度测量存在辐射范围窄，或采样点过多影响卷绕等问题，严重制约了核心温度的测量；

4.动力电池内部核心温度采用温度探头测量方式，需要使用导线将温度探头测量电信号引出，导线存在被腐蚀和破损可能性，造成探头电信号影响电池安全的问题；

5.动力电池内部核心温度采用温度探头测量方式，每次只能对电池内部单点温度进行测量，无法实现对电池内部温度分布数据进行实时采集，无法实时获取准确的电池内部最大核心温度，电池内部出现温度异常时不能及时保护，影响电池的使用安全。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种动力电池内部核心温度的检测方法，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种动力电池内部核心温度的检测方法，该检测方法包括终端PC机、波长解调仪、内置光纤光栅传感器阵列的电池、光纤线以及通信线，通过通信线接收波长解调仪传输的电池内部不同测试点的波长编码温度传感数据，在终端PC机采集软件上计算显示电池内部温度数据分布情况；

所述波长解调仪包括宽带光源发射器、3dB耦合器、F-P滤波器、光电检测信号放大器以及数据采集卡，由内部宽光源发射器经由3dB耦合器通过光纤线向内置光纤光栅传感器阵列的电池发射光源，不同中心波长(λb1,λb2,…,λbn)的光纤光栅与电池内部的各温度测量点相对应，分别感受各待测点温度变化，反射出携带温度信息的反射光经光纤线传输至波长解调仪，波长解调仪将波长编码的温度传感信号转换为数字信号，并通过内部数据采集卡与终端PC机相连；

所述内置光纤光栅传感器阵列的电池包括电池壳以及卡合于所述电池壳上方的电池上盖，所述电池壳内卷绕有若干圈芯包，所述芯包上阵列有若干个光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器由光纤线以及串联于光纤线上的多个不同波长的光纤光栅组成，采用光纤光栅对电池内部温度进行测量，利用波分复用和时分复用使得电池内部各温度测试点在测温范围内各光纤光栅的波长移动不会相互叠加，通过在电池内部预埋设计好的光纤光栅传感器阵列，实现对电池内部温度数据分布情况的准确测量。

作为进一步阐述，所述终端PC机通过通信线与所述波长解调仪相连接，所述内置光纤光栅传感器阵列的电池通过光纤线与所述波长调节仪相连接。

作为进一步阐述，所述光纤线负责将发射光由波长解调仪传输到内置光纤光栅传感器阵列的电池，并将携带温度信息的反射光由内置光纤光栅传感器阵列的电池传输到波长解调仪，所述通信线负责将波长解调仪解调的波长温度编码数字信号传输到终端PC机。

作为进一步阐述，所述宽带光源发射器、3dB耦合器、F-P滤波器、光电检测信号放大器以及数据采集卡依次连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本实施例提供的一种动力电池内部核心温度的检测方法，

1.实现动力电池内部核心温度可靠测量动力电池内部核心最高温度；

2.解决动力电池内部核心温度采样方法对电芯卷绕影响，由于光纤光栅具有尺寸小，柔性易卷绕等物理特性，相对电池卷绕薄，减小了动力电池形变与电流分布不均等问题；

3.减少温度测量系统的复杂度，光纤光栅阵列可以在电池内部卷绕层中按照设计形状铺设，增大动力电池内部核心温度测量面积，精准测量出动力电池内部核心最大值；

4.解决温度探头测量方式存在影响电池安全的问题，采用的光纤光栅属于无源器件，具有耐腐蚀、抗电磁干扰等特性，并且是通过光信号在光纤光栅中反射波长的变化来准确测量出电池内部核心温度分布数据，不用担心电信号对电池影响，同步将减小对动力电池的电化学反应的影响；

5.采用光纤光栅对电池内部温度进行测量，可以实时采集，采集时间可以实现<10MS，实现动力电池温度变化的快速侦测；且可利用波分复用和时分复用对电池内部温度实现组网测量，获取电池内部不同测量点的温度分布情况。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明波长解调仪内部结构示意图；

图3为本发明电池内置光纤光栅传感器阵列的侧面示意图；

图4为本发明电池内部光纤光栅阵列的内部结构剖视图；

图5为本发明电池盖的俯视图；

图6为本发明光纤光栅测温原理的示意图；

图7为本发明的工作流程图。

图中标号：1、终端PC机；2、通信线；3、波长解调仪；4、光纤线；5、电池；6、光纤光栅传感器阵列；7、电池上盖；8、芯包；9、电池壳。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-7所示，本实施例提供的一种动力电池内部核心温度的检测方法，该检测方法包括终端PC机1、波长解调仪3、内置光纤光栅传感器阵列6的电池5、光纤线4以及通信线2，所述终端PC机1通过通信线2与所述波长解调仪3相连接，所述内置光纤光栅传感器阵列6的电池5通过光纤线4与所述波长调节仪相连接，光纤线4负责将发射光由波长解调仪3传输到内置光纤光栅传感器阵列6的电池5，并将携带温度信息的反射光由内置光纤光栅传感器阵列6的电池5传输到波长解调仪3，所述通信线2负责将波长解调仪3解调的波长温度编码数字信号传输到终端PC机1，通过通信线2接收波长解调仪3传输的电池5内部不同测试点的波长编码温度传感数据，在终端PC机1采集软件上计算显示电池5内部温度数据分布情况；

所述波长解调仪3包括宽带光源发射器、3dB耦合器、F-P滤波器、光电检测信号放大器以及数据采集卡，所述宽带光源发射器、3dB耦合器、F-P滤波器、光电检测信号放大器以及数据采集卡依次连接，由内部宽光源发射器经由3dB耦合器通过光纤线4向内置光纤光栅传感器阵列6的电池5发射光源，不同中心波长(λb1,λb2,…,λbn)的光纤光栅与电池5内部的各温度测量点相对应，分别感受各待测点温度变化，反射出携带温度信息的反射光经光纤线4传输至波长解调仪3，波长解调仪3将波长编码的温度传感信号转换为数字信号，并通过内部数据采集卡与终端PC机1相连；

所述内置光纤光栅传感器阵列6的电池5包括电池壳9以及卡合于所述电池壳9上方的电池上盖7，所述电池壳9内卷绕有若干圈芯包8，所述芯包8上阵列有若干个光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器由光纤线4以及串联于光纤线4上的多个不同波长的光纤光栅组成，采用光纤光栅对电池5内部温度进行测量，利用波分复用和时分复用使得电池5内部各温度测试点在测温范围内各光纤光栅的波长移动不会相互叠加，通过在电池5内部预埋设计好的光纤光栅传感器阵列6，实现对电池5内部温度数据分布情况的准确测量。

其中，光纤光栅属于无源器件，具有耐腐蚀、抗电磁干扰等特性，并且是通过光信号在光纤光栅中反射波长的变化来准确测量出电池5内部核心温度分布数据，不用担心电信号对电池5影响，同步将减小对动力电池5的电化学反应的影响；

此外，光纤光栅是利用光纤材料的光敏特性，通过紫外曝光等工艺在光纤纤芯形成一定空间相位的光栅，作用在光栅处的温度会使得光栅的周期和折射率发生变化，进而导致反射光波长发生变化，可通过检测反射光波长的变化即可测量电池5内部各测量点温度的变化情况，图6是光纤光栅测温原理的示意图；

根据光纤光栅的耦合模理论，光纤光栅反射的反射光中心波波长

与光栅的有效折射率

和光栅周期

满足如下关系式：

（1）

式(1)对温度取导数可得温度与光纤光栅波长变化的关系式为：

（2）

式中：

为光纤的热膨胀系数，主要引起光栅栅格周期变化；

为光纤的热光系数，主要引起光纤折射率的变化；

代表热膨胀引起的弹光效应；

代表由于热膨胀导致光纤芯径变化产生的波导效应，

为波长变化量，

为温度变化量。

具体工作原理：本实施例提供的一种动力电池内部核心温度的检测方法，上电启动终端PC机1、波长解调仪3，波长解调仪3将预设的宽带光源信号由光纤线4传输到电池5内部，内置光纤光栅传感器整列的电池5根据电池5内部不同温度测试点的温度变化情况，反射出不同波长的的反射光、不同波长的反射光经由光纤线4传输到波长解调仪3中，波长解调仪3将携带电池5内部不同温度测试点温度信号的不同波长的反射光信号经过滤波及编码处理，将波长编码的温度传感信号转换成数字信号，波长解调仪3内置的数据采集卡，将波长编码数据经由通信线2传输到终端PC机1，终端PC机1根据采集到的波长编码数据，按式(2)反射光波长变化与温度的变化关系，计算显示电池5内部温度数据分布情况，并计算得到电池5内部核心温度数据。

综上所述，本实施例提供的一种动力电池内部核心温度的检测方法，

1.实现动力电池5内部核心温度可靠测量动力电池5内部核心最高温度；

2.解决动力电池5内部核心温度采样方法对电芯卷绕影响，由于光纤光栅具有尺寸小，柔性易卷绕等物理特性，相对电池5卷绕薄，减小了动力电池5形变与电流分布不均等问题；

3.减少温度测量系统的复杂度，光纤光栅阵列可以在电池5内部卷绕层中按照设计形状铺设，增大动力电池5内部核心温度测量面积，精准测量出动力电池5内部核心最大值；

4.解决温度探头测量方式存在影响电池5安全的问题，采用的光纤光栅属于无源器件，具有耐腐蚀、抗电磁干扰等特性，并且是通过光信号在光纤光栅中反射波长的变化来准确测量出电池5内部核心温度分布数据，不用担心电信号对电池5影响，同步将减小对动力电池5的电化学反应的影响；

5.采用光纤光栅对电池5内部温度进行测量，可以实时采集，采集时间可以实现<10MS，实现动力电池5温度变化的快速侦测；且可利用波分复用和时分复用对电池5内部温度实现组网测量，获取电池5内部不同测量点的温度分布情况。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种动力电池内部核心温度的检测方法，其特征在于：该检测方法包括终端PC机、波长解调仪、内置光纤光栅传感器阵列的电池、光纤线以及通信线，通过通信线接收波长解调仪传输的电池内部不同测试点的波长编码温度传感数据，在终端PC机采集软件上计算显示电池内部温度数据分布情况；

所述波长解调仪包括宽带光源发射器、3dB耦合器、F-P滤波器、光电检测信号放大器以及数据采集卡，由内部宽光源发射器经由3dB耦合器通过光纤线向内置光纤光栅传感器阵列的电池发射光源，不同中心波长(λb1,λb2,…,λbn)的光纤光栅与电池内部的各温度测量点相对应，分别感受各待测点温度变化，反射出携带温度信息的反射光经光纤线传输至波长解调仪，波长解调仪将波长编码的温度传感信号转换为数字信号，并通过内部数据采集卡与终端PC机相连；

所述内置光纤光栅传感器阵列的电池包括电池壳以及卡合于所述电池壳上方的电池上盖，所述电池壳内卷绕有若干圈芯包，所述芯包上阵列有若干个光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器由光纤线以及串联于光纤线上的多个不同波长的光纤光栅组成，采用光纤光栅对电池内部温度进行测量，利用波分复用和时分复用使得电池内部各温度测试点在测温范围内各光纤光栅的波长移动不会相互叠加，通过在电池内部预埋设计好的光纤光栅传感器阵列，实现对电池内部温度数据分布情况的准确测量。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池内部核心温度的检测方法，其特征在于：所述终端PC机通过通信线与所述波长解调仪相连接，所述内置光纤光栅传感器阵列的电池通过光纤线与所述波长调节仪相连接。

3.根据权利要求1所述的一种动力电池内部核心温度的检测方法，其特征在于：所述光纤线负责将发射光由波长解调仪传输到内置光纤光栅传感器阵列的电池，并将携带温度信息的反射光由内置光纤光栅传感器阵列的电池传输到波长解调仪，所述通信线负责将波长解调仪解调的波长温度编码数字信号传输到终端PC机。

4.根据权利要求1所述的一种动力电池内部核心温度的检测方法，其特征在于：所述宽带光源发射器、3dB耦合器、F-P滤波器、光电检测信号放大器以及数据采集卡依次连接。

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