趙 勇，保 宏，張登攀，李長有，王 耿，閆勇剛,*

(1.河南理工大學機械與動力工程學院,河南 焦作 454003；2.西安電子科技大學 電子裝備結構設計教育部重點實驗室，陜西 西安 710071)

1 引言

憑借著儲存和循環(huán)壽命長、能量密度高、應用范圍廣、存儲無記憶性等優(yōu)點，鋰離子電池在新能源汽車、船舶、飛機、儲能電站等領域得到迅速的發(fā)展與應用。鋰離子電池的性能與使用壽命受溫度影響較大，其安全運行溫度一般是在16～36 ℃之間[1]。當鋰離子電池應用于船舶、儲能電站等高容量、大體積的動力領域中時，高倍率的充放電必然會連續(xù)釋放出大量的焦耳熱與化學反應熱，大量熱量在高能量密度比的電池成組系統(tǒng)中不及時散發(fā)出去會增加電池內(nèi)阻，降低電池性能，甚至會引起熱失控[2,3]。

現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)Battery Management System,簡稱BMS)通常使用外部測量電壓、電流、溫度等參數(shù)估計電池電荷狀態(tài)(State of Charge,簡稱SOC)、健康狀態(tài)(State of Health,簡稱SOH)來實現(xiàn)對電池的安全運行管理，溫度數(shù)據(jù)一般由熱電偶、熱敏電阻、紅外熱成像等檢測方法實時獲取[4]。然而，熱敏電阻和熱電偶等電類溫度傳感器在電池組內(nèi)使用時，需要進行絕緣封裝，且每個溫度測量點都要占用單獨的信息通道，長期使用時金屬測量探頭易氧化，制約了熱敏電阻和熱電偶等電類溫度傳感器在動力電池模組中的大規(guī)模應用。紅外熱成像技術是一種面溫度測量技術，可對測量視場內(nèi)電池表面所有點的溫度進行監(jiān)測，能準確檢測出電池不同工況下的溫度情況。但紅外相機有一定的安裝空間需求，且測量精度受被測物體的發(fā)射率、測量距離和角度、空氣中的煙塵/水汽、測量環(huán)境中的干擾熱源影響較大[5]。

布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating,簡稱FBG)傳感器以其體積小、質量輕、抗電磁干擾，天然絕緣以及易復用組網(wǎng)等優(yōu)點，在狀態(tài)監(jiān)測領域得到廣泛的應用。基于FBG的傳感檢測系統(tǒng)早已實際用于工程領域，如橋梁、隧道、石油、化工、電力及安全防護等[6]。本文介紹一種基于光纖布拉格光柵技術的電池模組溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對模組內(nèi)各單體電芯溫度的實時監(jiān)測，為BMS系統(tǒng)穩(wěn)定控制電池模組狀態(tài)提供準確的溫度參數(shù)輸入。

2 測量原理及系統(tǒng)構成

2.1 FBG測量原理

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

當入射光進入FBG時，在滿足布拉格條件的情況下，會發(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，因此當外界溫度、應變發(fā)生變化時，光纖光柵將產(chǎn)生軸向應變與折射率變化，波長也隨之改變(圖1)。通過對反射光波長的解調(diào)，獲得中心波長偏移量，進而計算出相應的溫度和應變變化情況。同時，基于波分復用技術，可實現(xiàn)在單根光纖上復刻十幾個不同波長的傳感柵區(qū)，形成光纖光柵傳感串，使其大規(guī)模應用成為可能[7]。

圖1 布拉格光纖光柵測量原理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,一般工程應用過程中容易損傷，只有對其進行保護性封裝，才能保障光纖光柵穩(wěn)定的測量性能，延長其使用壽命。同時，對于FBG，溫度和應變的變換與波長變換量之間存在以下關系[8]：

Δλ/λ=(1-Pe)ε+[(1-Pe)α+ξ]ΔT

(1)

其中，Δλ為波長變化量，λ為初始波長，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分別表示應變和溫度的變化量。由式(1)可看到，應變和溫度均可對柵區(qū)的反射波長產(chǎn)生影響，且軟包電池在充放電過程中存在微應變[9]，因此在對電池溫度進行測量時，需要對光纖光柵進行特定方式的封裝，使得柵區(qū)僅對溫度變化敏感，而對外界應力不敏感，保障系統(tǒng)溫度測量的準確性。本文中所用溫度傳感器為內(nèi)含雙加強筋(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記點為測量柵區(qū))。當外界應力施加在傳感器表面時，加強筋吸收應力，從而實現(xiàn)柵區(qū)對微應變的不敏感。

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)構成

電池模組溫度場光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)由光纖串、光開關、光纖光柵解調(diào)儀和上位機組成(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，因此可通過光開關進行分路操作。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信號后，通過數(shù)據(jù)鏈路傳輸至監(jiān)控上位機，通過可視化軟件將各模組內(nèi)電芯的溫度進行實時顯示，并可通過上位機內(nèi)部通信機制將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給BMS系統(tǒng)進行綜合管理。

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

3 光纖光柵測溫系統(tǒng)實驗驗證

3.1 實驗平臺

為了驗證所述系統(tǒng)的有效性，搭建了電池模組溫度監(jiān)測實驗平臺。實驗測量對象選擇的是多佛多動力型三元聚合物軟包電池模組(圖4)。

圖4 實驗用軟包電池模組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，單體電芯標準電壓為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。整個電池模組長度為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。實驗平臺由光纖光柵解調(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)諧直流負載(恒惠MEL8513C)，動力電池放電電阻組(20 A，40 A放電電流)，12通道溫度記錄儀(虹潤F800)，T型熱電偶傳感器(OMEGA，SA1-T)和計算機組成(圖5)。

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

在電池模組內(nèi)布設1條PVC封裝光纖光柵串，上面刻寫16個傳感柵區(qū)(黑色標記點)。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柵區(qū)的測量準確性和穩(wěn)定性，光纖串在柵區(qū)刻寫時一般要保證10 mm以上的物理間隔。因此，本實驗過程中，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填充導熱硅膠(卡夫特K-5205，熱傳遞系數(shù)2.0)進行粘貼式安裝(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定

在扣除應力影響的情況下，布拉格光纖光柵傳感器波長變Δλ化與外界溫度ΔT變化之間關系可由(1)式得到：

Δλ=λ(α+ξ)ΔT

(2)

對于二氧化硅材質的裸光纖光柵，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，對于不同的初始波長λ，光纖光柵波長變化與Δλ與溫度變化ΔT之間系數(shù)并不唯一。

為準確獲取PVC封裝后光纖光柵串波長變化Δλ與溫度變化量ΔT之間系數(shù)，實驗前使用高精度恒溫水槽(CJTL-35A型唯立恒溫槽)對封裝光纖光柵串進行溫度標定(圖7)，標定范圍為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 ℃，溫度波動度為±0.01 ℃/min。波長變化與溫度變化之間并不是嚴格的一次線性關系(圖7)，因此使用二次多項式(3)代替式(2)：

ΔT=aΔλ2+bΔλ+c

(3)

本次實驗中所用布拉格光纖光柵串波長分布及標定系數(shù)見表1，其中FBG1，F(xiàn)BG8以及FBG16的標定曲線如圖7所示：

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

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

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

圖8 標定后FBG傳感器偏差分布Fig.8 The deviation distribution of calibrated FBG sensors.

3.3 充放電實驗及結果

為驗證光纖光柵系統(tǒng)的測溫準確性，對電池模組分別進行以下混合倍率充放電實驗：(1)10 A恒流充電3小時；(2)46 A(0.5 C)恒流放電半小時；(3)64 A(0.7 C)恒流放電半小時(4)10 A恒流放電45分鐘。

其中，(1)為電池充電，擱置12 h后進行(3)～(4)的混合倍率放電測試。同時，為了驗證光纖光柵測溫的準確性，在池模組內(nèi)布置5個T型熱電偶(OMEGA，SA1-T)。上述充放電測試對比結果如圖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，在電池模組整個充電周期內(nèi)的溫度測量數(shù)據(jù)對比情況。其中，5個熱電偶和對應FBG傳感器的安裝位置如圖6所示，熱電偶傳感器和FBG傳感器的編號方向為由電池模組的正極到負極依次增大(圖中從左至右)。圖10則是放電周期內(nèi)T型熱偶和FBG傳感器的溫度測量情況對比。

圖9 充電工況下光纖光柵測與熱電偶測量對比。(a)1號熱電偶和1號FBG傳感器測量溫度對比；(b)2號熱電偶和3號FBG傳感器測量溫度對比；(c)3號熱電偶和7號FBG傳感器測量溫度對比；(d)4號熱電偶和9號FBG傳感器測量溫度對比；(e)5號熱電偶和15號FBG傳感器測量溫度對比；(f)5個熱電偶和5個FBG傳感器測量溫度最大偏差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與熱電偶測量對比(a)1號熱電偶和1號FBG傳感器測量溫度對比；(b)2號熱電偶和3號FBG傳感器測量溫度對比；(c)3號熱電偶和7號FBG傳感器測量溫度對比；(d)4號熱電偶和9號FBG傳感器測量溫度對比；(e)5號熱電偶和15號FBG傳感器測量溫度對比；(f)5個熱電偶和5個FBG傳感器測量溫度最大偏差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.

由實驗結果可知，基于光纖光柵的測溫系統(tǒng)與使用T型熱電偶的測溫系統(tǒng)對電池工況下的溫度測量曲線基本是重合的，充電過程中兩者最大偏差的絕對值為0.6 ℃，放電過程中兩者最大偏差的絕對值為1.18 ℃。同時由對比圖可發(fā)現(xiàn)，五個溫度采集點的偏差略有區(qū)別，且兩次最大偏差點均發(fā)生在第3個光纖光柵測溫點(對應第2個熱電偶測溫點)，這是由于一方面使用導熱硅膠安裝光纖光柵傳感器時，其涂膠厚度會影響電芯溫度的熱傳遞率；另一方面，在使用熱電偶測溫時，溫度記錄儀未根據(jù)測量環(huán)境的溫度變化做冷端補償，測量準確性有所下降。然而總體上看，光纖光柵測溫系統(tǒng)全程無誤報和漏報發(fā)生，具有很好的實時性和穩(wěn)定性，可滿足動力電池模組溫度場的實時監(jiān)測。

4 結論

本文對基于布拉格光纖光柵傳感器的動力電池模組溫度場實時監(jiān)測系統(tǒng)的工程可行性應用進行了研究。實驗結果表明，該系統(tǒng)技術安全、可靠，線束空間占用少，可用于大規(guī)模的動力電池模組溫度場的高精度實時監(jiān)測，為由數(shù)百甚至數(shù)千個電芯組成的大型動力電池儲能系統(tǒng)的溫度監(jiān)測提供了一些思路和方法，有一定的實用價值。