本发明专利技术公开了一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统及方法，系统包括：激光器、拉曼探头、空芯光纤波导、单色仪、分光光路、光电检测器件和嵌入式计算机；空芯光纤波导采集锂离子电池周围的气体；拉曼探头具有输入光纤和接收光纤；激光器发出的激发光通过输入光纤传输至空芯光纤波导中，生成拉曼光谱散射光；拉曼光谱散射光经接收光纤收集后，依次经单色仪和分光光路后传输至光电检测器件，生成光谱数据；嵌入式计算机对光谱数据进行数据分析，在气体浓度和气体浓度的变化率超出阈值时，发出锂离子电池热失控警报。本发明专利技术综合特征气体种类及其浓度变化速率信息，开发分阶段的锂离子电池热失控预警模型，实现热失控早期的动态预警。的动态预警。的动态预警。
【技术实现步骤摘要】
基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统及方法
[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，更具体的说是涉及一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统及方法。
技术介绍
[0002]目前主流的锂离子电池热失控检测都是基于电池能源管理系统(BMS)，多用于电动汽车领域，依靠内置的电压传感器和温度传感器作为测量手段，通过实时检测各电池的端电压和表面温度异常进行热失控警报。基于BMS的热失控监测方案只能应用于锂离子电池使用阶段，且只能检测电池组的表面信息，难以及时判断电池芯内部热失控的发生、发展状态。此外，BMS系统需要大量传感器，导致硬件成本较高，同时大量的监测数据也造成了计算负荷，影响BMS整体性能和预警速度。
[0003]大量的研究表明，锂离子电池热失控是一个发生、发展的渐变过程，在热失控早期，一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、乙烯等特征气体向外溢出，可以通过检测锂离子电池周边环境中气体的方式来进行热失控过程监测。由于气体具备良好的扩散性，很快就充满电池组内部空间，可在电池组的任何位置准确评估锂离子电池热失控的发生发展阶段。因此，特征气体检测技术可用于监控锂离子电池的生产、运输、应用、回收等全环节热失控的动态预警。常用的气体检测分析方法，例如气相色谱法、质谱法、电化学式气体传感器、半导体气敏传感器、红外吸收光谱法等等，分别在准确度、稳定性、实时性、仪器设备尺寸、气体种类和气体浓度分辨能力等方面各自存在不足，难以满足锂离子热失控的动态预警需求。气体拉曼光谱检测技术作为一种非接触检测手段，具备简单、快速、高灵敏、高通量等显著优点，可对多种气体组分(包括N2、O2、H2等非极性双原子气体)进行在线实时检测，因此，如何提供一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统及方法，综合特征气体种类及其浓度变化速率信息，开发分阶段的锂离子电池热失控预警模型，实现热失控早期的动态预警。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，包括：依次连接的激光器、拉曼探头、空芯光纤波导、单色仪、分光光路、光电检测器件和嵌入式计算机；
[0007]所述空芯光纤波导作为气体池，并实时采集锂离子电池周围环境中的气体；
[0008]所述拉曼探头与所述空芯光纤波导耦合连接；所述拉曼探头具有输入光纤和接收光纤；所述激光器发出的激发光通过所述输入光纤传输至所述空芯光纤波导中，生成拉曼光谱散射光；拉曼光谱散射光经所述接收光纤收集后，依次经所述单色仪和所述分光光路后传输至所述光电检测器件，生成光谱数据，并传输至所述嵌入式计算机；
[0009]所述嵌入式计算机对所述光谱数据进行数据分析，并动态计算被监测气体种类的浓度变化和浓度变化率，在气体浓度和气体浓度的变化率超出阈值时，发出锂离子电池热失控警报。
[0010]优选的，在上述一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统中，所述空芯光纤波导的两端分别连接有进气道和出气口；锂离子电池周围环境中的气体经所述进气道进入所述空芯光纤波导，再经所述出气口排出所述空芯光纤波导。
[0011]优选的，在上述一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统中，所述进气道上自其采样口向所述空心玻纤波导的方向依次安装有除湿过滤单元、压力调控单元和温度调控单元；所述除湿过滤单元用于除去气体中的水分和杂质；所述压力调控单元用于使所述进气道中的气体保持恒压状态；所述温度调控单元用于使所述进气道中的气体保持恒温状态。
[0012]优选的，在上述一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统中，所述空芯光纤波导的外周侧涂覆有Ag/AgI复合涂层。
[0013]优选的，在上述一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统中，所述嵌入式计算机还对所述光谱数据进行实时存储，并生成拉曼光谱进行显示；所述拉曼光谱用于表征锂离子电池周围环境中的被监测气体种类和浓度变化。
[0014]优选的，在上述一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统中，所述激光器发射的激发光为532nm波长的高功率窄线宽光束。
[0015]本专利技术还提供一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警方法，其适用于上述基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，包括以下步骤：
[0016]以流经所述空芯光纤波导的气体种类组分和浓度变化作为锂离子电池热失控情况的评判依据；
[0017]基于气体组分和浓度变化构建锂离子电池热失控发展过程的电池状态模型和热失控预警模型；
[0018]基于所述锂离子电池热失控发展过程的电池状态模型实时监测锂离子电池周围环境中的气体种类和浓度变化，并动态计算气体浓度变化率，根据气体浓度变化和气体浓度变化率预估锂离子电池的热失控状态；
[0019]基于所述热失控预警模型实时计算各种被监测气体的气体浓度和浓度变化率是否达到阈值，并在超出阈值时，发出热失控警报。
[0020]优选的，在上述一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警方法中，所述锂离子电池热失控发展过程的电池状态模型的构建过程为：
[0021]在某一时刻t、由第i种气体的气体浓度数据描述锂离子电池状态，其表达式如下：
[0022]P
i
＝(C
i
,S
i
)；其中，S
i
＝ΔC
i
/Δt；
[0023]C
i
表示第i种气体的气体浓度，ΔC
i
表示在时间段Δt内气体浓度C
i
的变化量，S
i
表示第i中气体的气体浓度的变化率；
[0024]利用各种气体的气体浓度数据描述当前时刻t的锂离子电池状态，构建锂离子电池热失控发展过程的电池状态模型，其表达式如下：
[0025]Q
t
＝(P1,P2,P3,...,P
m
)；
[0026]其中，m表示锂离子电池周围环境中共包含m种被监测气体。
[0027]其中，m表示锂离子电池周围环境中共包含m种被监测气体。被监测气体种类为10种，包含8种热失控特征标志气体：CO2，H2，C2H4，CO，C2H5F，CH3OCH3，CH3OCHO，CH4和两种空气中存在的O2、N2。
[0028]优选的，在上述一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警方法中，所述热失控预警模型的构建过程为：
[0029]构建第i种气体浓度在锂离子电池热失控的第n阶段预警的数学模型P
i，n
，其表达式如下：
[0030]P
i,n
＝(C
i,n
,S
i,n
,C
n,Si
)；
[0031]其中，C
i,n
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，其特征在于，包括：依次连接的激光器(1)、拉曼探头(2)、空芯光纤波导(3)、单色仪(4)、分光光路(5)、光电检测器件(6)和嵌入式计算机(7)；所述空芯光纤波导(3)作为气体池，并实时采集锂离子电池周围环境中的气体；所述拉曼探头(2)与所述空芯光纤波导(3)耦合连接；所述拉曼探头(2)具有输入光纤(8)和接收光纤(9)；所述激光器(1)发出的激发光通过所述输入光纤(8)传输至所述空芯光纤波导(3)中，生成拉曼光谱散射光；拉曼光谱散射光经所述接收光纤(9)收集后，依次经所述单色仪(4)和所述分光光路(5)后传输至所述光电检测器件(6)，生成光谱数据，并传输至所述嵌入式计算机(7)；所述嵌入式计算机(7)对所述光谱数据进行数据分析，并动态计算被监测气体种类的浓度变化和浓度变化率，在气体浓度和气体浓度的变化率超出阈值时，发出锂离子电池热失控警报。2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，其特征在于，所述空芯光纤波导(3)的两端分别连接有进气道(10)和出气口(11)；锂离子电池周围环境中的气体经所述进气道(10)进入所述空芯光纤波导(3)，再经所述出气口(11)排出所述空芯光纤波导(3)。3.根据权利要求2所述的一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，其特征在于，所述进气道(10)上自其采样口向所述空心玻纤波导(3)的方向依次安装有除湿过滤单元(12)、压力调控单元(13)和温度调控单元(14)；所述除湿过滤单元(12)用于除去气体中的水分和杂质；所述压力调控单元(13)用于使所述进气道中的气体保持恒压状态；所述温度调控单元(14)用于使所述进气道中的气体保持恒温状态。4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，其特征在于，所述空芯光纤波导(3)的外周侧涂覆有Ag/AgI复合涂层。5.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，其特征在于，所述嵌入式计算机(7)还对所述光谱数据进行实时存储，并生成拉曼光谱进行显示；所述拉曼光谱用于表征锂离子电池周围环境中的被监测气体种类和浓度变化。6.一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警方法，其适用于如权利要求1
‑
5任一项所述的基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警系统，其特征在于，包括以下步骤：以流经所述空芯光纤波导的气体种类组分和浓度变化作为锂离子电池热失控情况的评判依据；基于气体组分和浓度变化构建锂离子电池热失控发展过程的电池状态模型和热失控预警模型；基于所述锂离子电池热失控发展过程的电池状态模型实时监测锂离子电池周围环境中的气体种类和浓度变化，并动态计算气体浓度变化率，根据气体浓度变化和气体浓度变化率预估锂离子电池的热失控状态；基于所述热失控预警模型实时计算各种被监测气体的气体浓度和浓度变化率是否达到阈值，并在超出阈值时，发出热失控警报。7.根据权利要求6所述的一种基于拉曼光谱的锂离子电池热失控动态预警方法，其特征在于，所述锂离子电池热失控发展过程的电池状态模型的构建过程为：
在某一时刻t、由第i种气体的气体浓度数据描述锂离子电池状态，其表达式如下：P
i
＝(C
i
,...
【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：
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