基于光纖光柵技術(shù)的電池模組溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè) *

趙 勇，保 宏，張登攀，李長(zhǎng)有，王 耿，閆勇剛,*

(1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 焦作 454003；2.西安電子科技大學(xué) 電子裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

1 引言

憑借著儲(chǔ)存和循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度高、應(yīng)用范圍廣、存儲(chǔ)無(wú)記憶性等優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池在新能源汽車(chē)、船舶、飛機(jī)、儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展與應(yīng)用。鋰離子電池的性能與使用壽命受溫度影響較大，其安全運(yùn)行溫度一般是在16～36 ℃之間[1]。當(dāng)鋰離子電池應(yīng)用于船舶、儲(chǔ)能電站等高容量、大體積的動(dòng)力領(lǐng)域中時(shí)，高倍率的充放電必然會(huì)連續(xù)釋放出大量的焦耳熱與化學(xué)反應(yīng)熱，大量熱量在高能量密度比的電池成組系統(tǒng)中不及時(shí)散發(fā)出去會(huì)增加電池內(nèi)阻，降低電池性能，甚至?xí)馃崾Э豙2,3]。

現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)Battery Management System,簡(jiǎn)稱(chēng)BMS)通常使用外部測(cè)量電壓、電流、溫度等參數(shù)估計(jì)電池電荷狀態(tài)(State of Charge,簡(jiǎn)稱(chēng)SOC)、健康狀態(tài)(State of Health,簡(jiǎn)稱(chēng)SOH)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的安全運(yùn)行管理，溫度數(shù)據(jù)一般由熱電偶、熱敏電阻、紅外熱成像等檢測(cè)方法實(shí)時(shí)獲取[4]。然而，熱敏電阻和熱電偶等電類(lèi)溫度傳感器在電池組內(nèi)使用時(shí)，需要進(jìn)行絕緣封裝，且每個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)都要占用單獨(dú)的信息通道，長(zhǎng)期使用時(shí)金屬測(cè)量探頭易氧化，制約了熱敏電阻和熱電偶等電類(lèi)溫度傳感器在動(dòng)力電池模組中的大規(guī)模應(yīng)用。紅外熱成像技術(shù)是一種面溫度測(cè)量技術(shù)，可對(duì)測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)電池表面所有點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能準(zhǔn)確檢測(cè)出電池不同工況下的溫度情況。但紅外相機(jī)有一定的安裝空間需求，且測(cè)量精度受被測(cè)物體的發(fā)射率、測(cè)量距離和角度、空氣中的煙塵/水汽、測(cè)量環(huán)境中的干擾熱源影響較大[5]。

布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating,簡(jiǎn)稱(chēng)FBG)傳感器以其體積小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾，天然絕緣以及易復(fù)用組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。基于FBG的傳感檢測(cè)系統(tǒng)早已實(shí)際用于工程領(lǐng)域，如橋梁、隧道、石油、化工、電力及安全防護(hù)等[6]。本文介紹一種基于光纖布拉格光柵技術(shù)的電池模組溫度場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模組內(nèi)各單體電芯溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為BMS系統(tǒng)穩(wěn)定控制電池模組狀態(tài)提供準(zhǔn)確的溫度參數(shù)輸入。

2 測(cè)量原理及系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 FBG測(cè)量原理

FBG一般是通過(guò)全息干涉法或相位掩膜法來(lái)將一小段光敏感的光纖暴露在一個(gè)光強(qiáng)周期分布的光波下面，使該區(qū)域的光纖折射率會(huì)根據(jù)其被照射的光波強(qiáng)度發(fā)生永久改變，即形成FBG柵區(qū)。

當(dāng)入射光進(jìn)入FBG時(shí)，在滿足布拉格條件的情況下，會(huì)發(fā)生選擇性反射。由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此當(dāng)外界溫度、應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，光纖光柵將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，波長(zhǎng)也隨之改變(圖1)。通過(guò)對(duì)反射光波長(zhǎng)的解調(diào)，獲得中心波長(zhǎng)偏移量，進(jìn)而計(jì)算出相應(yīng)的溫度和應(yīng)變變化情況。同時(shí)，基于波分復(fù)用技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在單根光纖上復(fù)刻十幾個(gè)不同波長(zhǎng)的傳感柵區(qū)，形成光纖光柵傳感串，使其大規(guī)模應(yīng)用成為可能[7]。

圖1 布拉格光纖光柵測(cè)量原理Fig.1 The measurement principle of the FBG.

2.2 FBG傳感器的封裝

由于一般的裸光纖直徑僅為125 μm,一般工程應(yīng)用過(guò)程中容易損傷，只有對(duì)其進(jìn)行保護(hù)性封裝，才能保障光纖光柵穩(wěn)定的測(cè)量性能，延長(zhǎng)其使用壽命。同時(shí)，對(duì)于FBG，溫度和應(yīng)變的變換與波長(zhǎng)變換量之間存在以下關(guān)系[8]：

Δλ/λ=(1-Pe)ε+[(1-Pe)α+ξ]ΔT

(1)

其中，Δλ為波長(zhǎng)變化量，λ為初始波長(zhǎng)，Pe、α和ξ分別表示彈光系數(shù)、熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)，ε和ΔT分別表示應(yīng)變和溫度的變化量。由式(1)可看到，應(yīng)變和溫度均可對(duì)柵區(qū)的反射波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，且軟包電池在充放電過(guò)程中存在微應(yīng)變[9]，因此在對(duì)電池溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要對(duì)光纖光柵進(jìn)行特定方式的封裝，使得柵區(qū)僅對(duì)溫度變化敏感，而對(duì)外界應(yīng)力不敏感，保障系統(tǒng)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。本文中所用溫度傳感器為內(nèi)含雙加強(qiáng)筋(玻璃纖維管)的聚氯乙烯(PVC)封裝FBG傳感器串(圖2，其中光纖串上的黑色標(biāo)記點(diǎn)為測(cè)量柵區(qū))。當(dāng)外界應(yīng)力施加在傳感器表面時(shí)，加強(qiáng)筋吸收應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)柵區(qū)對(duì)微應(yīng)變的不敏感。

圖2 PVC封裝FBG溫度傳感器及其截面示意Fig.2 FBG temperature sensors encapsulated with PVC and the sketch of the encapsulated section.

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成

電池模組溫度場(chǎng)光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纖串、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵解調(diào)儀和上位機(jī)組成(圖3)。光纖光柵串的柵區(qū)及間距依電芯排布間距和安裝位置尺寸大小而確定。由于電池模組眾多，而光纖光柵解調(diào)儀通道有限，因此可通過(guò)光開(kāi)關(guān)進(jìn)行分路操作。光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)每串光纖上的含有溫度信息的波長(zhǎng)信號(hào)后，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路傳輸至監(jiān)控上位機(jī)，通過(guò)可視化軟件將各模組內(nèi)電芯的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并可通過(guò)上位機(jī)內(nèi)部通信機(jī)制將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給BMS系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。

圖3 電池模組溫度場(chǎng)光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 The composition of FBG monitoring system for the temperature field of the battery module.

3 光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了驗(yàn)證所述系統(tǒng)的有效性，搭建了電池模組溫度監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象選擇的是多佛多動(dòng)力型三元聚合物軟包電池模組(圖4)。

圖4 實(shí)驗(yàn)用軟包電池模組Fig. 4 Experimental module composed of the pouch cells.

電池模組由32塊單體電芯以2并16串(2P16S)的形式組成，單體電芯標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.7 V，充電截止電壓為4.3 V，放電截止電壓為2.8 V，電池容量為46 Ah，最大充放電電流為46 A。整個(gè)電池模組長(zhǎng)度為422 mm，寬度為170 mm，高度為247 mm，電極間距為23 mm，模組容量為92 Ah。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由光纖光柵解調(diào)儀(MOI-si125，解調(diào)精度為1 pm，采樣速率2 Hz)，可調(diào)諧直流電源(恒惠HCP1823)，可調(diào)諧直流負(fù)載(恒惠MEL8513C)，動(dòng)力電池放電電阻組(20 A，40 A放電電流)，12通道溫度記錄儀(虹潤(rùn)F800)，T型熱電偶傳感器(OMEGA，SA1-T)和計(jì)算機(jī)組成(圖5)。

圖5 電池模組充放電溫度測(cè)試系統(tǒng)Fig.5 Temperature monitoring system for the battery module charging and discharging.

在電池模組內(nèi)布設(shè)1條PVC封裝光纖光柵串，上面刻寫(xiě)16個(gè)傳感柵區(qū)(黑色標(biāo)記點(diǎn))。由于高能量密度要求，模組內(nèi)電芯排布緊湊，電池單體間距較小，而傳感光纖為了保證每個(gè)柵區(qū)的測(cè)量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，光纖串在柵區(qū)刻寫(xiě)時(shí)一般要保證10 mm以上的物理間隔。因此，本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將傳感光纖串安裝至電芯的電極表面。光纖串與電極表面間通過(guò)填充導(dǎo)熱硅膠(卡夫特K-5205，熱傳遞系數(shù)2.0)進(jìn)行粘貼式安裝(圖6)。

圖6 光纖光柵串及T型熱電偶的安裝Fig.6 The placement and installation of the FBG sensors and the T-type thermocouples.

3.2 光纖光柵傳感器的標(biāo)定

在扣除應(yīng)力影響的情況下，布拉格光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變?chǔ)う嘶c外界溫度ΔT變化之間關(guān)系可由(1)式得到：

Δλ=λ(α+ξ)ΔT

(2)

對(duì)于二氧化硅材質(zhì)的裸光纖光柵，一般情況下熱膨脹系數(shù)α=5.5×10-7K-1，熱光彈系數(shù)ξ=8.5×10-6K-1[10]。然而，對(duì)于不同的初始波長(zhǎng)λ，光纖光柵波長(zhǎng)變化與Δλ與溫度變化ΔT之間系數(shù)并不唯一。

為準(zhǔn)確獲取PVC封裝后光纖光柵串波長(zhǎng)變化Δλ與溫度變化量ΔT之間系數(shù)，實(shí)驗(yàn)前使用高精度恒溫水槽(CJTL-35A型唯立恒溫槽)對(duì)封裝光纖光柵串進(jìn)行溫度標(biāo)定(圖7)，標(biāo)定范圍為15 ℃ ～85 ℃，恒溫水槽溫度控制分辨率為0.001 ℃，溫度均勻度為0.005 ℃～0.01 ℃，溫度波動(dòng)度為±0.01 ℃/min。波長(zhǎng)變化與溫度變化之間并不是嚴(yán)格的一次線性關(guān)系(圖7)，因此使用二次多項(xiàng)式(3)代替式(2)：

ΔT=aΔλ2+bΔλ+c

(3)

本次實(shí)驗(yàn)中所用布拉格光纖光柵串波長(zhǎng)分布及標(biāo)定系數(shù)見(jiàn)表1，其中FBG1，F(xiàn)BG8以及FBG16的標(biāo)定曲線如圖7所示：

圖7 恒溫水槽標(biāo)定及標(biāo)定曲線Fig.7 Calibrating FBG sensors with the constant temperature water tank.

表1 16個(gè)光纖光柵傳感器波長(zhǎng)分布及標(biāo)定系數(shù)Table 1 The wavelength and the calibration coefficients of 16 FBG sensors.

經(jīng)標(biāo)定后，16個(gè)FBG柵區(qū)的在標(biāo)定溫度范圍內(nèi)的感溫最大偏差為0.189 ℃(圖8)。

圖8 標(biāo)定后FBG傳感器偏差分布Fig.8 The deviation distribution of calibrated FBG sensors.

3.3 充放電實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為驗(yàn)證光纖光柵系統(tǒng)的測(cè)溫準(zhǔn)確性，對(duì)電池模組分別進(jìn)行以下混合倍率充放電實(shí)驗(yàn)：(1)10 A恒流充電3小時(shí)；(2)46 A(0.5 C)恒流放電半小時(shí)；(3)64 A(0.7 C)恒流放電半小時(shí)(4)10 A恒流放電45分鐘。

其中，(1)為電池充電，擱置12 h后進(jìn)行(3)～(4)的混合倍率放電測(cè)試。同時(shí)，為了驗(yàn)證光纖光柵測(cè)溫的準(zhǔn)確性，在池模組內(nèi)布置5個(gè)T型熱電偶(OMEGA，SA1-T)。上述充放電測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖9、10所示。

圖9顯示了在電池模組內(nèi)電芯電極上布置的PVC封裝FBG傳感器與T型熱電偶，在電池模組整個(gè)充電周期內(nèi)的溫度測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比情況。其中，5個(gè)熱電偶和對(duì)應(yīng)FBG傳感器的安裝位置如圖6所示，熱電偶傳感器和FBG傳感器的編號(hào)方向?yàn)橛呻姵啬＝M的正極到負(fù)極依次增大(圖中從左至右)。圖10則是放電周期內(nèi)T型熱偶和FBG傳感器的溫度測(cè)量情況對(duì)比。

圖9 充電工況下光纖光柵測(cè)與熱電偶測(cè)量對(duì)比。(a)1號(hào)熱電偶和1號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(b)2號(hào)熱電偶和3號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(c)3號(hào)熱電偶和7號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(d)4號(hào)熱電偶和9號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(e)5號(hào)熱電偶和15號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(f)5個(gè)熱電偶和5個(gè)FBG傳感器測(cè)量溫度最大偏差Fig.9 The comparison between the FBG sensors and T-type thermocouples during the charging cycles.(a) The comparison between the thermocouple 1 and FBG 1;(b) The comparison between the thermocouple 2 and FBG 3;(c) The comparison between the thermocouple 3 and FBG 7;(d) The comparison between the thermocouple 4 and FBG 9;(e) The comparison between the thermocouple 5 and FBG 15;(f) The maximum difference between the 5 thermocouples and 5 FBG sensors.

圖10 放電工況下光纖光柵測(cè)與熱電偶測(cè)量對(duì)比(a)1號(hào)熱電偶和1號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(b)2號(hào)熱電偶和3號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(c)3號(hào)熱電偶和7號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(d)4號(hào)熱電偶和9號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(e)5號(hào)熱電偶和15號(hào)FBG傳感器測(cè)量溫度對(duì)比；(f)5個(gè)熱電偶和5個(gè)FBG傳感器測(cè)量溫度最大偏差Fig.10 The comparison between the FBG sensors and T-type thermocouples during the discharging cycles.(a)The comparison between the thermocouple 1 and FBG 1;(b) The comparison between the thermocouple 2 and FBG 3;(c) The comparison between the thermocouple 3 and FBG 7;(d) The comparison between the thermocouple 4 and FBG 9;(e) The comparison between the thermocouple 5 and FBG 15;(f) The maximum difference between the 5 thermocouples and 5 FBG sensors.

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于光纖光柵的測(cè)溫系統(tǒng)與使用T型熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)電池工況下的溫度測(cè)量曲線基本是重合的，充電過(guò)程中兩者最大偏差的絕對(duì)值為0.6 ℃，放電過(guò)程中兩者最大偏差的絕對(duì)值為1.18 ℃。同時(shí)由對(duì)比圖可發(fā)現(xiàn)，五個(gè)溫度采集點(diǎn)的偏差略有區(qū)別，且兩次最大偏差點(diǎn)均發(fā)生在第3個(gè)光纖光柵測(cè)溫點(diǎn)(對(duì)應(yīng)第2個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn))，這是由于一方面使用導(dǎo)熱硅膠安裝光纖光柵傳感器時(shí)，其涂膠厚度會(huì)影響電芯溫度的熱傳遞率；另一方面，在使用熱電偶測(cè)溫時(shí)，溫度記錄儀未根據(jù)測(cè)量環(huán)境的溫度變化做冷端補(bǔ)償，測(cè)量準(zhǔn)確性有所下降。然而總體上看，光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)全程無(wú)誤報(bào)和漏報(bào)發(fā)生，具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，可滿足動(dòng)力電池模組溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于布拉格光纖光柵傳感器的動(dòng)力電池模組溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程可行性應(yīng)用進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)技術(shù)安全、可靠，線束空間占用少，可用于大規(guī)模的動(dòng)力電池模組溫度場(chǎng)的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為由數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)電芯組成的大型動(dòng)力電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)提供了一些思路和方法，有一定的實(shí)用價(jià)值。