一种内置光纤传感器的智能电池及其健康状态估计方法技术

本发明专利技术公开了一种内置光纤传感器的智能电池及其健康状态估计方法，其中智能电池包括：电芯、框架壳体、内嵌式光纤布拉格光栅传感器系统和智能芯片。所述光纤传感器系统嵌入智能电池内部电极，直接采集内部电极的不可逆应变数据。所述光纤传感器系统与智能芯片相连，通过智能芯片的运算实现电池自我状态感知和电芯级的电池管理功能。本发明专利技术采用光学方法获取力学维度的测量信息，并用于直接表征电池电化学状态，能够在实际工况下测量智能电池内部电极应变数据，实现对电池SOH状态的在线实时估计。本发明专利技术提供的内置光纤传感器的智能电池，具备去中心化特征，能够实现高度模块化、即插即用集成、高度可扩展性和和准确的自我状态感知。

【技术实现步骤摘要】
一种内置光纤传感器的智能电池及其健康状态估计方法
本专利技术涉及智能电池
，特别是涉及一种内置光纤传感器的智能电池及其健康状态估计方法。
技术介绍
锂离子电池健康状态（StateofHealth,SOH）的估计运算是电池管理系统（BatteryManagementSystem,BMS）的核心功能之一，及时、准确地估计SOH对于电池系统的安全性、可靠性、电池故障诊断、电池的维护/更换周期至关重要。然而，当前SOH不能用市售的传感器直接测量，且锂离子电池老化机理复杂、影响因素多、特性耦合，对准确估计SOH提出重大挑战。目前，锂离子电池模组通常将多个电芯串联/并联，其BMS通过集中的主控制器来控制电芯单体，控制功能维持在模组层级，难以在电芯单体层级准确获知电池SOH并进行有效控制。此外，目前的电池模组只采集电流、电压和表面温度以供BMS进行SOH计算，缺乏电池内部状态信息。另一方面，SOH主要通过实验方法、基于模型方法和数据驱动的方法来获取。在实验方法中，电池容量测试仪可以准确地测量容量，但难以在电动汽车运行中测量。安时积分法可以计算出剩余容量，但易受到电流传感器积累误差的影响。欧姆电阻和电化学阻抗谱测量可用来确定SOH，但欧姆内阻会随着荷电状态（Stateofcharge,SOC）而变化，电化学阻抗谱方法不便于车载应用。基于模型的方法可以识别与电池老化有关的参数来实现SOH估计，但高精度模型建模困难、计算负载大。数据驱动的SOH估计方法通过特定算法提取历史数据点的关键老化信息，不涉及复杂的物理模型、具有较好的估计精度，但是数据驱动方法的训练数据依赖于电池外部特征，易受噪声和电磁干扰的影响。综上所述，现阶段锂离子电池BMS停留在模组层级，感测信息仅局限于外部特征，SOH估计所依赖的电池内部信息极为有限，亟需在单体层级实现感知、扩展检测维度，增加对电池内部特征的获取，提出新的锂离子电池感测方法及相应的高精度、高鲁棒性SOH估计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种内置光纤传感器的智能电池，能够获取电池内部力学信息，通过智能芯片实现自我状态感知和电芯级的电池管理功能，并具备多向通信同能。本专利技术的另一个目的在于提供一种SOH估计方法，通过将光纤传感器嵌入智能电池内部电极，直接采集内部电极的不可逆应变数据，实现基于内部信息的SOH估计。该方法采用样本电池的老化循环试验数据作为训练集，用以确定容量-充电末期电极应变的函数关系，结合滤波算法保证SOH估计的准确性。作为本专利技术的第一个方面，提供一种内置光纤传感器的智能电池，包括电芯、FBG传感器系统、智能芯片、智能电池框架，其中FBG传感器系统是指光纤布拉格光栅传感器系统；所述电芯包括负极、正极、隔膜、外表层。负极和正极之间设置隔膜。负极、隔膜、正极的数量可按照实电池容量来选择，并按照“负极、隔膜、正极、隔膜”循环的方式堆叠。在负极、隔膜、正极堆叠的最外层，用外表层包覆、密封。所述电芯包括但不限于锂离子电池、软包电池、方壳电池、圆柱电池。所述负极包括但不限于石墨。所述外表层包括但不限于铝塑膜。进一步的，FBG传感器系统嵌入到电芯内部。FBG传感器系统包括：光纤、主FBG传感器、副FBG传感器、解耦微管、光纤保护套管。所述FBG传感器系统包括两个布拉格光栅。将光纤内刻有一个布拉格光栅的区段作为主FBG传感器。将光纤内刻有另一个布拉格光栅的区段置于解耦微管中，使其能够在解耦微管内自由滑动，作为副FBG传感器。主FBG传感器和副FBG传感器分别具有不同的中心波长，并构成FBG传感器系统的感测单元。通过串行复用，光纤可以承载主FBG传感器和副FBG传感器的反射光。所述主FBG传感器用粘合剂牢固地嵌入到负极内。负极的应变变化或温度变化均会引起主FBG传感器的波长偏移。所述解耦微管被贴附到负极。副FBG传感器的布拉格光栅与负极之间用解耦微管隔离，消除力学作用；副FBG传感器的波长变化仅由负极的温度变化引起。所述外表层用于密封电池，制作电池单体，光纤从电池外表层延伸至电芯外部。延伸出来的光纤，外加光纤保护套管。进一步的，智能芯片与FBG传感器系统相连接。智能芯片包括：光学处理单元、微控制器芯片、数据通信接口、无线通信模块，以及芯片基板和内部电路。光学处理单元具备光源、环形器、解调仪模块。光源发出的光束，经环形器传播到光纤，在光纤内传导，分别透射过主FBG传感器的布拉格光栅和副FBG传感器的布拉格光栅。光束的一部分在两个布拉格光栅处被反射，经环形器传播到解调仪。解调仪通过读取两个时刻的反射光的中心波长，可以分别得到两个时刻之间主FBG传感器和副FBG传感器的波长偏移。所述光学处理单元通过智能芯片的内部电路与微控制器芯片相通信。光学处理单元将主FBG传感器和副FBG传感器的波长偏移数据发送到微控制器芯片。所述微控制器芯片通过智能芯片的内部电路与数据通信接口、无线通信模块相通信。微控制器芯片运算得到的电池状态信息、剩余寿命预测、故障诊断信息，通过数据通信接口、无线通信模块，传输到其他智能电池以实现信息共享；以及传输到中央电池管理系统或云端服务器，以实现智能电池的协同控制和数据库建立。进一步的，智能电池框架支撑和包覆电芯、FBG传感器系统、智能芯片。智能电池框架包括：电芯支架、散热孔、电芯极耳固定部件、光纤保护套管固定部件、通信接口固定部件、左盖板、右盖板。作为本专利技术的另一个方面，提供上述电池的健康状态估计方法，包括以下步骤：S1.在实验室条件下对FBG传感器系统进行标定：对内置光纤传感器的智能电池开展充放电测试，通过计算法确定温度补偿因子CT；S2.选取样本电池，实施加速老化的充电/放电循环，根据S1中确定的温度补偿因子，计算电极应变；确定容量-充电末期电极应变的函数关系；S3.在实际工况下，测量充电末期的电极应变。建立与容量相关的状态空间模型，采用滤波算法估计SOH。其中，所述步骤S2包括以下子步骤：S201.在相同型号的智能电池中，选取一个嵌入FBG传感器系统的电池。使用充放电测试设备对该电池进行加速老化的充电/放电循环，以使该电池发生老化。根据电池种类的不同，选择加速老化的充电/放电循环的次数。优选的，充电/放电循环次数须大于100次。S202.在充电过程中，根据充放电机确定SOC值。如果SOC超过某一阈值，即判定当前充电过程达到充电末期。优选的，该阈值选择90%SOC。S203.如果达到充电末期，使用嵌入式FBG传感器系统（2）测量充电末期的电极应变：；其中，主FBG传感器（22）的波长偏移和副FBG传感器（23）的波长偏移由光学处理单元（31）读取；在每次充电/放电循环中，使用充放电测试设备记录电池容量；S204.使用加速老化的充电/放电循环的数据，拟合智能电池容量-充电末期电极应变的函数关系：其中，θmax(k)是第k次循环中充电末期的最大电极应变。L0，L1和L2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内置光纤传感器的智能电池，其特征在于：包括电芯（1）、FBG传感器系统（2）、智能芯片（3）、智能电池框架（4），/n所述电芯（1）包括负极（11）、正极（12）；负极（11）和正极（12）之间设置隔膜（13），并按照“负极（11）、隔膜（13）、正极（12）、隔膜（13）”循环的方式堆叠；在负极（11）、隔膜（13）、正极（12）堆叠的最外层，用外表层（14）包覆、密封；/nFBG传感器系统（2）嵌入到电芯（1）内部；/n智能芯片（3）与FBG传感器系统（2）相连接；/n智能电池框架（4）支撑和包覆电芯（1）、FBG传感器系统（2）、智能芯片（3）。/n

【技术特征摘要】
1.一种内置光纤传感器的智能电池，其特征在于：包括电芯（1）、FBG传感器系统（2）、智能芯片（3）、智能电池框架（4），
所述电芯（1）包括负极（11）、正极（12）；负极（11）和正极（12）之间设置隔膜（13），并按照“负极（11）、隔膜（13）、正极（12）、隔膜（13）”循环的方式堆叠；在负极（11）、隔膜（13）、正极（12）堆叠的最外层，用外表层（14）包覆、密封；
FBG传感器系统（2）嵌入到电芯（1）内部；
智能芯片（3）与FBG传感器系统（2）相连接；
智能电池框架（4）支撑和包覆电芯（1）、FBG传感器系统（2）、智能芯片（3）。


2.根据权利要求1所述的一种内置光纤传感器的智能电池，其特征在于：所述的FBG传感器系统（2）为光纤布拉格光栅传感器系统；FBG传感器系统（2）包括：光纤（21）、主FBG传感器（22）、副FBG传感器（23）、解耦微管（231）、光纤保护套管（24）；
所述FBG传感器系统（2）包括两个布拉格光栅；将光纤（21）内刻有一个布拉格光栅的区段作为主FBG传感器（22）；将光纤（21）内刻有另一个布拉格光栅的区段置于解耦微管（231）中，使其能够在解耦微管（231）内自由滑动，作为副FBG传感器（23）；主FBG传感器（22）和副FBG传感器（23）分别具有不同的中心波长，并构成FBG传感器系统（2）的感测单元；通过串行复用，光纤（21）承载主FBG传感器（22）和副FBG传感器（23）的反射光；
所述主FBG传感器（22）固定嵌入到负极（11）内；所述解耦微管（231）贴附到负极（11）上；副FBG传感器（23）的布拉格光栅与负极（11）之间用解耦微管（231）隔离；
光纤（21）从电池外表层（14）延伸至电芯（1）外部；延伸出来的光纤（21），外加光纤保护套管（24）。


3.根据权利要求1所述的一种内置光纤传感器的智能电池，其特征在于：智能芯片（3）包括：光学处理单元（31）、微控制器芯片（32）、数据通信接口（33）、无线通信模块（34），以及芯片基板和内部电路；光学处理单元（31）包括光源、环形器、解调仪模块；光源发出的光束，经环形器传播到光纤（21），在光纤（21）内传导，分别透射过主FBG传感器（22）的布拉格光栅和副FBG传感器（23）的布拉格光栅，光束的一部分在两个布拉格光栅处被反射，经环形器传播到解调仪；解调仪通过读取两个时刻的反射光的中心波长，可以分别得到两个时刻之间主FBG传感器（22）和副FBG传感器（23）的波长偏移；
所述光学处理单元（31）通过智能芯片（3）的内部电路与微控制器芯片（32）相通信；光学处理单元（31）将主FBG传感器（22）和副FBG传感器（23）的波长偏移数据发送到微控制器芯片（32）；
所述微控制器芯片（32）通过智能芯片（3）的内部电路与数据通信接口（33）、无线通信模块（34）相通信；微控制器芯片（32）运算得到的电池状态信息、剩余寿命预测、故障诊断信息，通过数据通信接口（33）、无线通信模块（34），传输到其他智能电池以实现信息共享；以及传输到中央电池管理系统或云端服务器，以实现智能电池的协...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏中宝，何洪文，丁光林，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11