基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统及方法，该系统包括：中红外量子级联激光器、光学隔离器、准直透镜、光学谐振腔、聚焦反射镜、光电检测器和主控单元；量子级联激光器输出特征气体吸收波长的激光，通过光学隔离器，经过准直透镜调整耦合进入测量腔；经过多次反射后产生谐振，并输出激光束，经聚焦反射镜聚焦后到达光电检测器；当光电检测器检测到设定强度的激光后，由主控单元关断光学隔离器，通过检测输出激光衰减到设定强度的时间间隔来计算被测特征气体的浓度。该系统响应快、灵敏度高、抗干扰能力强，可在锂电池安全阀打开之前，在线实时分析锂离子电池热失控早期的超痕量气体标志物，从而实现早期预警。从而实现早期预警。从而实现早期预警。

【技术实现步骤摘要】
基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统及方法


[0001]本专利技术涉及锂电池热失控预警
，特别涉及基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统及方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池是指采用锂合金金属氧化物为正极材料的高性能锂离子蓄电池，包括三元材料、磷酸铁锂等锂离子电池。近年来，随着锂离子电池技术的广泛应用，由锂离子电池热失控所引发的爆炸事件层出不穷，对人民群众生命安全造成了巨大威胁。在各种锂离子电池事故中，航空运输中锂离子电池热失控是最难控制的安全事故之一，极易造成机毁人亡的严重后果，其早期预警是实现航空安全应急的最有效路径。航空运输具有高空、高速、难救援等特殊性，若能高效实现航空复杂环境下锂离子电池热失控的早期预警，则有望提升航空器应急救援的缓冲时间，相关技术可拓展到多个领域、多个场景的锂离子电池热失控早期预警。
[0003]随着锂离子电池技术在航空业的广泛使用，国际航空运输业对锂离子电池空运火灾风险的警惕不断提高，国际民航组织在2014年“国际多学科锂离子电池运输协调会”上提出了基于性能评估探测灭火系统以防止热失控传播的锂离子电池运输建议。由于锂离子电池具有特殊的热积累效应和易复燃危险，包装防护手段并不能单独起到防火控火目的，锂离子电池热失控探测是电池防灭火技术的第一步，也是最关键的一步。在实践中，锂离子电池货物火灾一般开始于封闭包装内部的单个电池燃爆，传统火灾烟雾探测方法无法及时发现锂离子电池热失控的早期征兆，更无法满足飞机火灾探测报警时间小于1分钟的要求。
[0004]因此，亟待发展新型、高效的锂离子电池火灾早期预警技术，而超痕量锂离子电池热失控气体标志物的精准检测是最有前途的早期预警技术之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服目前锂离子电池热失控中早期预警发现率低的问题，提供一种基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统及方法，该系统基于中红外量子级联激光的腔衰荡吸收光谱分析，准确捕获锂离子电池热失控早期的特征气体，包括但不限于PF3、PF5、CO2、CO、CH4、C2H4等特征气体，实现锂离子电池热失控的早期预警。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，包括：中红外量子级联激光器、光学隔离器、准直透镜、光学谐振腔、聚焦反射镜、光电检测器和主控单元；
[0008]其中，中红外量子级联激光器、光学隔离器、准直透镜、光学谐振腔、聚焦反射镜、光电检测器依次沿光路设置；所述中红外量子级联激光器连接光学隔离器；
[0009]所述光学谐振腔安装在被检测锂离子电池的采样气体池两端，与所述气体池构成采样、检测一体化的测测量腔；所述测量腔具有进气和出气通道；
[0010]所述主控单元通过控制电路与所述光学隔离器连接，且与所述光电检测器连接；
[0011]所述量子级联激光器输出特征气体吸收波长的激光，该波长根据特征气体标志物的红外吸收谱峰进行确定；激光通过所述光学隔离器，经过准直透镜调整，耦合进入所述测量腔；激光在所述测量腔经过多次反射后产生谐振，并输出激光束，经聚焦反射镜聚焦后到达所述光电检测器；当所述光电检测器检测到设定强度的激光后，由所述主控单元关断所述光学隔离器，通过检测输出激光衰减到设定强度的时间间隔来计算被测特征气体的浓度。
[0012]进一步地，所述光学谐振腔为一个两端装有高反射凹面镜的腔体；两端的凹面镜直径、反射率相同；
[0013]所述系统还包括：谐振控制模块；所述主控单元通过所述谐振控制模块，调制所述腔体的腔长；腔长L＜2r，r为所述凹面镜的曲率半径。
[0014]进一步地，所述系统还包括：温度与压力监控模块；
[0015]所述主控单元通过温度与压力监控模块控制所述测量腔内保持恒温恒压。
[0016]进一步地，所述主控单元与所述光电检测器之间还具有AD采集卡和放大与滤波模块；
[0017]所述光电检测器将光信号转换为电信号，输入到所述放大与滤波模块，经所述AD采集卡传输到所述主控单元。
[0018]第二方面，本专利技术实施例还提供一种基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警方法，使用如上述实施例任一项的基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，该方法包括：
[0019]当衰荡腔内存在超痕量特征气体时，通过调整激光器的中心波长，获得相应气体的衰荡时间t，计算出衰荡腔内介质包括超痕量特征气体的吸收系数α；
[0020]根据衰荡腔内介质包括超痕量特征气体的吸收系数α，计算出相应的超痕量特征气体浓度；
[0021]当所述超痕量特征气体浓度达到阈值时，发出报警信号。
[0022]进一步地，当衰荡腔内存在超痕量特征气体时，通过调整激光器的中心波长，获得相应气体的衰荡时间t；包括：
[0023]将通过衰荡腔的光信号强度变为所需要的时间定义为衰荡时间t，得到
[0024][0025]其中：I0为单色光入射到衰荡腔的强度；L为衰荡腔的长度；R为衰荡腔的凹面镜的反射率；c为光速；α为衰荡腔内介质包括超痕量特征气体的吸收系数。
[0026]进一步地，α由如下方式获得：
[0027]激光在衰荡腔内经过n次来回反射后，光电检测器接收到的光信号强度表示为：
[0028]I
n
＝I0R
2n
exp(
‑
2n
·
αL)
[0029]其中，I0为单色光入射到衰荡腔的强度，L为衰荡腔的长度，R
2n
为平凹反射镜造成的衰减，exp(
‑
2n
·
αL)为腔内介质吸收造成的衰减；n为激光在衰荡腔内的来回反射次数；R为平凹反射镜的反射率，α为衰荡腔内介质包括超痕量特征气体的吸收系数；
[0030]根据电检测器接收到的光信号强度I
n
，计算出衰荡腔内介质包括超痕量特征气体的吸收系数α。
[0031]进一步地，根据衰荡腔内介质包括超痕量特征气体的吸收系数α，计算出相应的超痕量特征气体浓度，包括：
[0032]利用激光波长下气体吸收系数与吸收截面面积和气体绝对浓度的关系：α＝σ
·
N，N
∝
C，即N与气体绝对浓度C成正比，σ为该波长下气体的吸收截面面积，N为介质粒子密度；
[0033]计算求得待测气体绝对浓度C。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0035]本专利技术实施例提供的基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，包括：中红外量子级联激光器、光学隔离器、准直透镜、光学谐振腔、聚焦反射镜、光电检测器和主控单元。本专利技术从锂离子电池燃爆机理出发，结合燃爆后气体标志物释放规律，提出了采用中红外腔衰荡光谱分析的方式，精准捕获锂离子电池热失控的早期超痕量特征气体标志物信息，实现锂离子电池热失控火灾早期预警。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，其特征在于，包括：中红外量子级联激光器、光学隔离器、准直透镜、光学谐振腔、聚焦反射镜、光电检测器和主控单元；其中，中红外量子级联激光器、光学隔离器、准直透镜、光学谐振腔、聚焦反射镜、光电检测器依次沿光路设置；所述中红外量子级联激光器连接光学隔离器；所述光学谐振腔安装在被检测锂离子电池的采样气体池两端，与所述气体池构成采样、检测一体化的测量腔；所述测量腔具有进气和出气通道；所述主控单元通过控制电路与所述光学隔离器连接，且与所述光电检测器连接；所述中红外量子级联激光器输出特征气体吸收波长的激光，该波长根据特征气体标志物的红外吸收谱峰进行确定；激光通过所述光学隔离器，经过准直透镜调整，耦合进入所述测量腔；激光在所述测量腔经过多次反射后产生谐振，并输出激光束，经聚焦反射镜聚焦后到达所述光电检测器；当所述光电检测器检测到设定强度的激光后，由所述主控单元关断所述光学隔离器，通过检测输出激光衰减到设定强度的时间间隔来计算被测特征气体的浓度。2.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，其特征在于，所述光学谐振腔为一个两端装有高反射凹面镜的腔体；两端的凹面镜直径、反射率相同；所述系统还包括：谐振控制模块；所述主控单元通过所述谐振控制模块，调制所述腔体的腔长；腔长L＜2r，r为所述凹面镜的曲率半径。3.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，其特征在于，所述系统还包括：温度与压力监控模块；所述主控单元通过温度与压力监控模块控制所述测量腔内保持恒温恒压。4.根据权利要求1所述的基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，其特征在于，所述主控单元与所述光电检测器之间还具有AD采集卡和放大与滤波模块；所述光电检测器将光信号转换为电信号，输入到所述放大与滤波模块，经所述AD采集卡传输到所述主控单元。5.基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警方法，其特征在于，使用如权利要求1
‑
4任一项所述的基于腔衰荡光谱技术的锂电池热失控早期预警系统，该方法包括：当衰荡腔内存在超痕量特征气...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈达，张伟，郝朝龙，张青松，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：