基于超低反射率光纖光柵的儲能電池溫度監測系統

李士峰 楊振忠 蔡天 曹占有 朱振偉

摘 要：降低電池故障對于儲能系統的安全運行至關重要，溫度是電池運行健康狀態的重要指標，儲能系統必須對電池實現全數監測，目前的測溫技術不論是電測量還是分布式光纖溫度測量，都難以滿足對每一個電池的實時、低成本監測。文中基于超低反射率光纖光柵技術，提出了對電池進行溫度監測的新方法，并將風電儲能系統中的磷酸鐵鋰電池組作為測試對象。實驗結果表明，系統具有實時性好、精度高、方便布設等優點，能實現一根光纖監測每一個單體電池的目標，對提高儲能系統電池組的安全高效運行具有較好的實用價值。

關鍵詞：儲能系統;鋰電池;弱反射光纖光柵;溫度監測;結構設計;漂移

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）06-00-02

0 引 言

溫度是反映儲能電池是否安全最直接的物理量，電子傳感器（熱敏電阻等）和電池管理系統實時監控電池模組溫度，但溫度監測點稀疏，無法全面、快速反映電池溫度變化。而傳統的基于拉曼散射的分布式測溫系統則存在測溫精度不高，測量速度慢的問題。這些缺點容易導致電池系統熱失控，從而危及整個儲能系統的安全運行。針對這一問題，結合近年來光纖溫度監測技術的最新發展，引入超低反射率光纖光柵溫度監測技術，并進行了系統設計，率先在風電儲能系統中進行應用，取得了良好的效果。

1 超低反射率光纖光柵技術原理

超低反射率光纖光柵是指對反射率低于0.1%光柵的統稱，近年來其發展迅猛。由于光柵反射率的大幅降低，其復用性能、傳感方式、解調技術都發生了顛覆性變化，成為引領光纖傳感技術發展的新方向。超低反射率光柵傳感系統結合傳統光纖分布式傳感與FBG傳感的優點，在保持傳統FBG傳感精度高、響應快等特點的同時，極大地提高了系統容量。以超弱光纖光柵（約為-40 dB）作為傳感單元，降低系統中光柵之間的串擾，單通道的傳感器復用數量超5 000個，

相對于傳統的FBG傳感網絡，系統容量提升100倍以上，可實現多點數快速測量[1-3]。

溫度監測主要基于光柵在溫度作用下出現熱膨脹效應后柵距發生變化，導致波長漂移，解調系統通過測量波長的漂移來解算溫度數值。

針對信號的定位，傳統的光時域反射方法均采用一維定位，對脈沖信號的要求高，在超低反射率光纖光柵定位技術中，引入脈沖重合度與信號強度的線性關系，可實現對光柵位置的精確定位[4-5]。

超弱光柵傳感技術解決了多年來光纖光柵容量小、傳感方式單一等問題。目前，該技術的超大復用容量（單纖上

10 000個點）、高分辨率（0.5 m）、高靈敏度（振動小于

1 nε）、高可靠性（波長解調）、準分布式/分布式兼容、高性價比優勢凸顯，經過近幾年的發展，有望逐步取代FBG，-OTDR和BOTDR技術，成為今后光纖傳感技術發展的主流。

2 系統組成

系統主要由寬帶光源、調制器、環形器、光放大器、光探測器、A/D轉換器、FPGA模塊、上位機、信號處理軟件以及傳感光纖組成[6-7]，如圖1所示。

光纖光柵溫度調制解調系統通過測量光路感知光柵中心波長變化，通過解調儀監測波長的漂移，通過標定實驗得出波長漂移和溫度之間的關系。將測得的模擬波長信號傳送給A/D轉換采樣，然后傳送至FPGA模塊進行運算和處理，最后，在上位機顯示監測溫度信息。

3 超低反射率光纖光柵陣列制作與封裝

傳統FBG制作過程中要剝離涂敷層進行光柵刻寫，刻寫完成后再重新涂敷，該過程導致的微裂紋使光纖的抗拉強度從5%降低到低于1%。低反射率光纖光柵陣列采用透紫外涂敷層的光纖制作，抗拉強度和原光纖一致，在復雜環境測量應用中有巨大優勢。

超低反射率光纖光柵陣列根據電池個數需求一次制作完成，各FBG間無熔接點，不僅可降低損耗，更極大地提高了系統的可靠性和長期穩定性。

超低反射率光纖光柵溫度測量技術指標見表1所列。

4 光纖光柵電池包殼體結構設計

為了更有利于光纖光柵對每一塊電池進行溫度測量，設計了獨特的電池包殼體結構。電池包殼體為一體化設計，包括格柵狀排列的多電池艙結構，電池艙用來容納單體電池，其尺寸與單體電池外尺寸相適應，可固定和保護單體電池，殼體為高導熱材料，有利于散熱。殼體分為上、下殼體兩部分，閉合后組成多個電池艙，可容納并保護多個單體電池。上、下殼頂端設置通孔，用于散熱、接線。上、下殼體中間設連接結構。下殼體壁端面（與上殼體接觸面）設光纖槽結構，光纖槽開口面向上殼體，光纖槽沿下殼體端面縱橫貫通，光纖可根據需要在光纖槽中繞行，使得光纖與電池艙中的每個單體充分接觸，實現一根光纖對所有電池包中的單體電池的溫度監測。光纖光柵電池包殼體結構如圖2所示。

5 結 語

系統在風電場儲能系統進行了實際安裝部署和測試，驗證了超低反射率光柵傳感技術相對其他電池測溫技術的優點，可廣泛應用于儲能電池監測中。同時，傳感監測系統具有安裝簡單、易于集成、性能優越等特點，結合獨特的電池匣與光纖結合的結構設計，經歷工程實踐的檢驗，證明系統具有良好的可實施性和可操作性。

參考文獻

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