基于超低反射率光纖光柵的儲(chǔ)能電池溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李士峰 楊振忠 蔡天 曹占有 朱振偉

摘 要：降低電池故障對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，溫度是電池運(yùn)行健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，儲(chǔ)能系統(tǒng)必須對(duì)電池實(shí)現(xiàn)全數(shù)監(jiān)測(cè)，目前的測(cè)溫技術(shù)不論是電測(cè)量還是分布式光纖溫度測(cè)量，都難以滿足對(duì)每一個(gè)電池的實(shí)時(shí)、低成本監(jiān)測(cè)。文中基于超低反射率光纖光柵技術(shù)，提出了對(duì)電池進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)的新方法，并將風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中的磷酸鐵鋰電池組作為測(cè)試對(duì)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、精度高、方便布設(shè)等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)一根光纖監(jiān)測(cè)每一個(gè)單體電池的目標(biāo)，對(duì)提高儲(chǔ)能系統(tǒng)電池組的安全高效運(yùn)行具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能系統(tǒng);鋰電池;弱反射光纖光柵;溫度監(jiān)測(cè);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);漂移

中圖分類號(hào)：TP212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）06-00-02

0 引 言

溫度是反映儲(chǔ)能電池是否安全最直接的物理量，電子傳感器（熱敏電阻等）和電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池模組溫度，但溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)稀疏，無(wú)法全面、快速反映電池溫度變化。而傳統(tǒng)的基于拉曼散射的分布式測(cè)溫系統(tǒng)則存在測(cè)溫精度不高，測(cè)量速度慢的問(wèn)題。這些缺點(diǎn)容易導(dǎo)致電池系統(tǒng)熱失控，從而危及整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全運(yùn)行。針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合近年來(lái)光纖溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新發(fā)展，引入超低反射率光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，并進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，率先在風(fēng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用，取得了良好的效果。

1 超低反射率光纖光柵技術(shù)原理

超低反射率光纖光柵是指對(duì)反射率低于0.1%光柵的統(tǒng)稱，近年來(lái)其發(fā)展迅猛。由于光柵反射率的大幅降低，其復(fù)用性能、傳感方式、解調(diào)技術(shù)都發(fā)生了顛覆性變化，成為引領(lǐng)光纖傳感技術(shù)發(fā)展的新方向。超低反射率光柵傳感系統(tǒng)結(jié)合傳統(tǒng)光纖分布式傳感與FBG傳感的優(yōu)點(diǎn)，在保持傳統(tǒng)FBG傳感精度高、響應(yīng)快等特點(diǎn)的同時(shí)，極大地提高了系統(tǒng)容量。以超弱光纖光柵（約為-40 dB）作為傳感單元，降低系統(tǒng)中光柵之間的串?dāng)_，單通道的傳感器復(fù)用數(shù)量超5 000個(gè)，

相對(duì)于傳統(tǒng)的FBG傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)容量提升100倍以上，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)數(shù)快速測(cè)量[1-3]。

溫度監(jiān)測(cè)主要基于光柵在溫度作用下出現(xiàn)熱膨脹效應(yīng)后柵距發(fā)生變化，導(dǎo)致波長(zhǎng)漂移，解調(diào)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的漂移來(lái)解算溫度數(shù)值。

針對(duì)信號(hào)的定位，傳統(tǒng)的光時(shí)域反射方法均采用一維定位，對(duì)脈沖信號(hào)的要求高，在超低反射率光纖光柵定位技術(shù)中，引入脈沖重合度與信號(hào)強(qiáng)度的線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵位置的精確定位[4-5]。

超弱光柵傳感技術(shù)解決了多年來(lái)光纖光柵容量小、傳感方式單一等問(wèn)題。目前，該技術(shù)的超大復(fù)用容量（單纖上

10 000個(gè)點(diǎn)）、高分辨率（0.5 m）、高靈敏度（振動(dòng)小于

1 nε）、高可靠性（波長(zhǎng)解調(diào)）、準(zhǔn)分布式/分布式兼容、高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)凸顯，經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，有望逐步取代FBG，-OTDR和BOTDR技術(shù)，成為今后光纖傳感技術(shù)發(fā)展的主流。

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由寬帶光源、調(diào)制器、環(huán)形器、光放大器、光探測(cè)器、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA模塊、上位機(jī)、信號(hào)處理軟件以及傳感光纖組成[6-7]，如圖1所示。

光纖光柵溫度調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量光路感知光柵中心波長(zhǎng)變化，通過(guò)解調(diào)儀監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)的漂移，通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得出波長(zhǎng)漂移和溫度之間的關(guān)系。將測(cè)得的模擬波長(zhǎng)信號(hào)傳送給A/D轉(zhuǎn)換采樣，然后傳送至FPGA模塊進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后，在上位機(jī)顯示監(jiān)測(cè)溫度信息。

3 超低反射率光纖光柵陣列制作與封裝

傳統(tǒng)FBG制作過(guò)程中要?jiǎng)冸x涂敷層進(jìn)行光柵刻寫(xiě)，刻寫(xiě)完成后再重新涂敷，該過(guò)程導(dǎo)致的微裂紋使光纖的抗拉強(qiáng)度從5%降低到低于1%。低反射率光纖光柵陣列采用透紫外涂敷層的光纖制作，抗拉強(qiáng)度和原光纖一致，在復(fù)雜環(huán)境測(cè)量應(yīng)用中有巨大優(yōu)勢(shì)。

超低反射率光纖光柵陣列根據(jù)電池個(gè)數(shù)需求一次制作完成，各FBG間無(wú)熔接點(diǎn)，不僅可降低損耗，更極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

超低反射率光纖光柵溫度測(cè)量技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所列。

4 光纖光柵電池包殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了更有利于光纖光柵對(duì)每一塊電池進(jìn)行溫度測(cè)量，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的電池包殼體結(jié)構(gòu)。電池包殼體為一體化設(shè)計(jì)，包括格柵狀排列的多電池艙結(jié)構(gòu)，電池艙用來(lái)容納單體電池，其尺寸與單體電池外尺寸相適應(yīng)，可固定和保護(hù)單體電池，殼體為高導(dǎo)熱材料，有利于散熱。殼體分為上、下殼體兩部分，閉合后組成多個(gè)電池艙，可容納并保護(hù)多個(gè)單體電池。上、下殼頂端設(shè)置通孔，用于散熱、接線。上、下殼體中間設(shè)連接結(jié)構(gòu)。下殼體壁端面（與上殼體接觸面）設(shè)光纖槽結(jié)構(gòu)，光纖槽開(kāi)口面向上殼體，光纖槽沿下殼體端面縱橫貫通，光纖可根據(jù)需要在光纖槽中繞行，使得光纖與電池艙中的每個(gè)單體充分接觸，實(shí)現(xiàn)一根光纖對(duì)所有電池包中的單體電池的溫度監(jiān)測(cè)。光纖光柵電池包殼體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際安裝部署和測(cè)試，驗(yàn)證了超低反射率光柵傳感技術(shù)相對(duì)其他電池測(cè)溫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能電池監(jiān)測(cè)中。同時(shí)，傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單、易于集成、性能優(yōu)越等特點(diǎn)，結(jié)合獨(dú)特的電池匣與光纖結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)歷工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，證明系統(tǒng)具有良好的可實(shí)施性和可操作性。

參考文獻(xiàn)

[1]柯宇鍔，鄭羽，劉宇，等.全同弱光纖光柵陣列反射信號(hào)仿真計(jì)算與分析[J].光通信研究，2015（4）：39-41.

[2]張英東，黃俊斌，顧宏?duì)N，等.弱反射光纖光柵水聽(tīng)器水聲探測(cè)機(jī)理研究[J].船舶電子工程，2018（12）：180-184.

[3]李政穎，孫文豐，王洪海.基于光頻域反射技術(shù)的超弱反射光纖光柵傳感技術(shù)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015（8）：56-63.

[4]孫冠夏，鄭曉彥，高金輝.分布式光纖的電動(dòng)汽車鋰電池測(cè)溫方法研究[J].電源技術(shù)，2018（1）：43-45.

[5]王伯槐，劉黎.船艙溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（8）：82-83.

[6]張浩田.用于超弱光纖光柵解調(diào)的光電檢測(cè)電路的研制[D].北京：北京交通大學(xué)，2017.

[7]郭博.試論基于光纖光柵探測(cè)器的室內(nèi)溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].大陸橋視野，2015（16）：101.

[8]馬尚榮.基于光纖光柵傳感器的分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[9]于保柱，賈丹平，趙立民.基于無(wú)線通信的變電站設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（7）：71-74.

[10]周鶴.基于時(shí)分復(fù)用的分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)的研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.