一种用于储能电池热失控的光学监测方法及光学监测装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于储能电池热失控的光学监测方法及光学监测装置，建立光纤环形腔计算模型，从而得到衰荡时间变化量与额外损耗之间的关系式；针对所述温度表达式中的温度进行优化；针对所述气体浓度表达式中的气体浓度进行优化；基于传统的光纤环形腔衰荡系统，使用两个光纤环来实现同一个系统，测量两个物理量，温度

【技术实现步骤摘要】
一种用于储能电池热失控的光学监测方法及光学监测装置


[0001]本专利技术涉及光学工程和电气工程领域，尤其涉及一种用于储能电池热失控的光学监测方法及光学监测装置
。

技术介绍

[0002]随着科技的发展与人们对大容量移动储能设备的需求，将化学能转换为电能的锂离子电池被应用在越来越多的领域
。
随着我国经济的发展，储能系统规模和锂离子电池的容量都在快速增长，储能产业发展如火如荼，其中电化学储能行业也是飞速增长的市场
。
也决定了新型电力储能系统以新能源为主体的方向
。
储能电站利用可再生能源发电这一途径进行电力储存，是电网系统中不可或缺的一部分
。
磷酸铁锂电池以其高安全性
、
优良电化学性能
、
长循环寿命以及环境友好性成为电化学储能中储能单元的主要选择
。
在电网的储能系统中，储能单元及电气设备通常统一置于预制舱中，从而实现更高容量
、
更强的环境适应能力以及安装的方便性
。
但由于储能电池本体材料（有机电解液
、
隔膜
、
石墨等）的可燃性，在异常运行工况下存在电池热失控的风险，电池内部或外部的温度过高，引发了某一部分电池的热失控，电池开始剧烈反应后，内部电解液及其他构件伴随着反应会产生
CO2、H2、CO、HF
以及烷烃类混合气体，由于储能预制舱相对密闭，运行环境中电池堆积密度较高，会造成可燃气体的聚集，随着热失控的扩散，会使得整个电池组温度升高，从而将电池在热失控过程中所产生的可燃气点燃，在空间有限的预制舱中造成爆炸事故
。
爆炸事故不仅会对整个储能电站构成严重威胁，对储能技术的推广以及社会评价也将造成消极的负面影响
。
[0003]为了保证储能电站的安全稳定运行，实时监测磷酸铁锂电池的温度，以及磷酸铁锂电池在使用过程中的释放的热失控气体种类和含量，能够实时了解磷酸铁锂电池组的工作状态，对储能电站的安全运行具有重要意义
。
传统的储能电池气体检测大多使用电化学气体检测器，该系列气体检测仪存在着传输速率低
、
易受电磁干扰
、
价格昂贵
、
对恶劣环境条件的抗性差不足的缺陷
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种用于储能电池热失控的光学监测方法及光学监测装置，能够测量磷酸铁锂锂电池的温度变化以及热失控特征气体的浓度
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：本专利技术提供了一种用于储能电池热失控的光学监测方法，包括以下步骤：
S1、
建立光纤环形腔计算模型，从而得到衰荡时间变化量与额外损耗之间的关系式；
S2、
基于所述衰荡时间变化量与所述额外损耗之间的关系式，进行变形，确立温度表达式和气体浓度表达式；
S3、
分析所述温度表达式和所述气体浓度表达式，以确定所述温度表达式和所述
气体浓度表达式中的变量；
S4、
针对所述温度表达式中的温度进行优化，以得到待测的温度值；
S5、
针对所述气体浓度表达式中的气体浓度进行优化，以得到待测的气体浓度值
。
[0006]进一步，所述
S1
的具体步骤为：
S101、
所述光纤环形腔计算模型为：
ꢀꢀꢀ
（1）；其中，为衰荡时间；为光纤环折射率；为光纤环总长度；为系统固有损耗；为光在真空中的传播速度；
S102、
在实际测量时，由于光纤环形腔受到测量温度和气体浓度的影响，会加重光纤损耗，因此引入额外损耗，则实际测量中的衰荡时间为：
ꢀꢀꢀꢀ
（2）；
S103、
由公式（1）和公式（2）得衰荡时间变化量与额外损耗之间的关系式为：
ꢀꢀꢀ
（3）
。
[0007]进一步，所述
S2
包括：
S201、
光纤布拉格光栅受温度的影响体现在热光效益和热膨胀效益两方面，光栅周期的变化引起折射光变化的表达式为：
ꢀꢀꢀ
（4）；其中，为中心波长；为常数；为温度；由于中心波长的变化导致了衰荡时间的变化，结合公式（3）得：
ꢀꢀꢀ
（5）；其中，为温度测量光纤环下的额外损耗；
S202、
所述温度表达式为：（6）
。
[0008]进一步，所述
S2
还包括：
S203、
气体测量依靠经过处理的微纳光纤，使气体进行吸附，从而改变光纤折射
率，使衰荡时间发生变化：（7）；
ꢀꢀ
（8）；其中，为气体测量光纤环下的额外损耗；为经过处理的微纳光纤折射率；为常数；为待测气体浓度；
S204、
所述气体浓度表达式为：
ꢀꢀꢀ
（9）
。
[0009]进一步，所述
S3
具体为：由于所述光纤环形腔系统的结构已确立，光在真空中的传播速度，常数
、
常数，光纤环折射率
、
光纤环总长度也确定，温度测量光纤环下的额外损耗和气体测量光纤环下的额外损耗为变量；则令为，令为，温度测量光纤环下的额外损耗为，气体测量光纤环下的额外损耗为，则所述温度表达式和所述气体浓度表达式的变量表达式为：（
10
）；由于和为定值，只需对
、
进行优化，即得到待测的温度值和气体浓度值
。
[0010]进一步，所述
S4
具体为：
S401、
对进行降噪处理，记为含有噪声的原始信号，则分解次后的信号为：
ꢀꢀꢀ
（
11
）；（
12
）；
其中，为一阶残差分量；
S402、
将加补偿噪声分解次，得：
ꢀꢀ
（
13
）；其中，为补偿白噪声；
S403、
分解第个次，为系数，为，阶残差分量为：
ꢀꢀꢀꢀ
（
14
）；
ꢀꢀ
（
15
）；
S404、
重复
S401
‑
S403
，直至无法分解，则：
ꢀꢀꢀ
（
16
）；
S405、
得到的降噪信号为：（
17
）
。
[0011]进一步，所述
S5
具体为：
S501、
对进行优化，总吉布斯能为：
ꢀꢀꢀ
（
18
）；其中，为第组吉布斯能；为通用气体常数；为常温；为第组数据；为特征气体种类总数；为第组待测气体摩尔本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于储能电池热失控的光学监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、
建立光纤环形腔计算模型，从而得到衰荡时间变化量与额外损耗之间的关系式；
S2、
基于所述衰荡时间变化量与所述额外损耗之间的关系式，进行变形，确立温度表达式和气体浓度表达式；
S3、
分析所述温度表达式和所述气体浓度表达式，以确定所述温度表达式和所述气体浓度表达式中的变量；
S4、
针对所述温度表达式中的温度进行优化，以得到待测的温度值；
S5、
针对所述气体浓度表达式中的气体浓度进行优化，以得到待测的气体浓度值
。2.
根据权利要求1所述的一种用于储能电池热失控的光学监测方法，其特征在于，所述
S1
的具体步骤为：
S101、
所述光纤环形腔计算模型为：
ꢀꢀꢀ
（1）；其中，为衰荡时间；为光纤环折射率；为光纤环总长度；为系统固有损耗；为光在真空中的传播速度；
S102、
在实际测量时，由于光纤环形腔受到测量温度和气体浓度的影响，会加重光纤损耗，因此引入额外损耗，则实际测量中的衰荡时间为：
ꢀꢀꢀꢀ
（2）；
S103、
由公式（1）和公式（2）得衰荡时间变化量与额外损耗之间的关系式为：
ꢀꢀꢀ
（3）
。3.
根据权利要求2所述的一种用于储能电池热失控的光学监测方法，其特征在于，所述
S2
包括：
S201、
光纤布拉格光栅受温度的影响体现在热光效益和热膨胀效益两方面，光栅周期的变化引起折射光变化的表达式为：
ꢀꢀꢀ
（4）；其中，为中心波长；为常数；为温度；由于中心波长的变化导致了衰荡时间的变化，结合公式（3）得：
ꢀꢀꢀ
（5）；
其中，为温度测量光纤环下的额外损耗；
S202、
所述温度表达式为：（6）
。4.
根据权利要求3所述的一种用于储能电池热失控的光学监测方法，其特征在于，所述
S2
还包括：
S203、
气体测量依靠经过处理的微纳光纤，使气体进行吸附，从而改变光纤折射率，使衰荡时间发生变化：（7）；
ꢀꢀ
（8）；其中，为气体测量光纤环下的额外损耗；为经过处理的微纳光纤折射率；为常数；为待测气体浓度；
S204、
所述气体浓度表达式为：
ꢀꢀꢀ
（9）
。5.
根据权利要求4所述的一种用于储能电池热失控的光学监测方法，其特征在于：所述
S3
具体为：由于所述光纤环形腔系统的结构已确立，光在真空中的传播速度，常数
、
常数，光纤环折射率
、
光纤环总长度也确定，温度测量光纤环下的额外损耗和气体测量光纤环下的额外损耗为变量；则令为，令为，温度测量光纤环下的额外损耗为，气体测量光纤环下的额外损耗为，则所述温度表达式和所述气体浓度表达式的变量表达式为：（
10
）；由于和为定值，只需对
、
进行优化，即得到待测的温度值和气体浓度值
。
6.
根...

【专利技术属性】
技术研发人员：卓然，张晓星，张引，傅明利，黄之明，秦超群，王邸博，罗颜，成传晖，陈秋霖，高萌，杨伟鸿，赵思诚，蒲金雨，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：