基于超低反射率光纤光栅的储能电池温度监测系统

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　　摘 要：降低电池故障对于储能系统的安全运行至关重要，温度是电池运行健康状态的重要指标，储能系统必须对电池实现全数监测，目前的测温技术不论是电测量还是分布式光纤温度测量，都难以满足对每一个电池的实时、低成本监测。文中基于超低反射率光纤光栅技术，提出了对电池进行温度监测的新方法，并将风电储能系统中的磷酸铁锂电池组作为测试对象。实验结果表明，系统具有实时性好、精度高、方便布设等优点，能实现一根光纤监测每一个单体电池的目标，对提高储能系统电池组的安全高效运行具有较好的实用价值。
　　关键词：储能系统;锂电池;弱反射光纤光栅;温度监测;结构设计;漂移
　　中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）06-00-02
　　0 引 言
　　温度是反映储能电池是否安全最直接的物理量，电子传感器（热敏电阻等）和电池管理系统实时监控电池模组温度，但温度监测点稀疏，无法全面、快速反映电池温度变化。而传统的基于拉曼散射的分布式测温系统则存在测温精度不高，测量速度慢的问题。这些缺点容易导致电池系统热失控，从而危及整个储能系统的安全运行。针对这一问题，结合近年来光纤温度监测技术的最新发展，引入超低反射率光纤光栅温度监测技术，并进行了系统设计，率先在风电储能系统中进行应用，取得了良好的效果。
　　1 超低反射率光纤光栅技术原理
　　超低反射率光纤光栅是指对反射率低于0.1%光栅的统称，近年来其发展迅猛。由于光栅反射率的大幅降低，其复用性能、传感方式、解调技术都发生了颠覆性变化，成为引领光纤传感技术发展的新方向。超低反射率光柵传感系统结合传统光纤分布式传感与FBG传感的优点，在保持传统FBG传感精度高、响应快等特点的同时，极大地提高了系统容量。以超弱光纤光栅（约为-40 dB）作为传感单元，降低系统中光栅之间的串扰，单通道的传感器复用数量超5 000个，
　　相对于传统的FBG传感网络，系统容量提升100倍以上，可实现多点数快速测量[1-3]。
　　温度监测主要基于光栅在温度作用下出现热膨胀效应后栅距发生变化，导致波长漂移，解调系统通过测量波长的漂移来解算温度数值。
　　针对信号的定位，传统的光时域反射方法均采用一维定位，对脉冲信号的要求高，在超低反射率光纤光栅定位技术中，引入脉冲重合度与信号强度的线性关系，可实现对光栅位置的精确定位[4-5]。
　　超弱光栅传感技术解决了多年来光纤光栅容量小、传感方式单一等问题。目前，该技术的超大复用容量（单纤上
　　10 000个点）、高分辨率（0.5 m）、高灵敏度（振动小于
　　1 nε）、高可靠性（波长解调）、准分布式/分布式兼容、高性价比优势凸显，经过近几年的发展，有望逐步取代FBG，-OTDR和BOTDR技术，成为今后光纤传感技术发展的主流。
　　2 系统组成
　　系统主要由宽带光源、调制器、环形器、光放大器、光探测器、A/D转换器、FPGA模块、上位机、信号处理软件以及传感光纤组成[6-7]，如图1所示。
　　光纤光栅温度调制解调系统通过测量光路感知光栅中心波长变化，通过解调仪监测波长的漂移，通过标定实验得出波长漂移和温度之间的关系。将测得的模拟波长信号传送给A/D转换采样，然后传送至FPGA模块进行运算和处理，最后，在上位机显示监测温度信息。
　　3 超低反射率光纤光栅阵列制作与封装
　　传统FBG制作过程中要剥离涂敷层进行光栅刻写，刻写完成后再重新涂敷，该过程导致的微裂纹使光纤的抗拉强度从5%降低到低于1%。低反射率光纤光栅阵列采用透紫外涂敷层的光纤制作，抗拉强度和原光纤一致，在复杂环境测量应用中有巨大优势。
　　超低反射率光纤光栅阵列根据电池个数需求一次制作完成，各FBG间无熔接点，不仅可降低损耗，更极大地提高了系统的可靠性和长期稳定性。
　　超低反射率光纤光栅温度测量技术指标见表1所列。
　　4 光纤光栅电池包壳体结构设计
　　为了更有利于光纤光栅对每一块电池进行温度测量，设计了独特的电池包壳体结构。电池包壳体为一体化设计，包括格栅状排列的多电池舱结构，电池舱用来容纳单体电池，其尺寸与单体电池外尺寸相适应，可固定和保护单体电池，壳体为高导热材料，有利于散热。壳体分为上、下壳体两部分，闭合后组成多个电池舱，可容纳并保护多个单体电池。上、下壳顶端设置通孔，用于散热、接线。上、下壳体中间设连接结构。下壳体壁端面（与上壳体接触面）设光纤槽结构，光纤槽开口面向上壳体，光纤槽沿下壳体端面纵横贯通，光纤可根据需要在光纤槽中绕行，使得光纤与电池舱中的每个单体充分接触，实现一根光纤对所有电池包中的单体电池的温度监测。光纤光栅电池包壳体结构如图2所示。
　　5 结 语
　　系统在风电场储能系统进行了实际安装部署和测试，验证了超低反射率光栅传感技术相对其他电池测温技术的优点，可广泛应用于储能电池监测中。同时，传感监测系统具有安装简单、易于集成、性能优越等特点，结合独特的电池匣与光纤结合的结构设计，经历工程实践的检验，证明系统具有良好的可实施性和可操作性。
　　参考文献
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