用于能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的監(jiān)測(cè)和管理的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)（MMS）包括一個(gè)或多個(gè)光纖電纜，一個(gè)或多個(gè)多模光纖電纜布置在能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的部分內(nèi)或上。每個(gè)光纖電纜包括多個(gè)光學(xué)傳感器。至少一個(gè)光學(xué)傳感器構(gòu)造成檢測(cè)能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的參數(shù)，該參數(shù)與由多個(gè)光學(xué)傳感器中的至少一個(gè)其他光學(xué)傳感器所檢測(cè)的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的參數(shù)不同。MMS包括光源和檢測(cè)器，光源構(gòu)造成向一個(gè)或多個(gè)光纖電纜提供光，檢測(cè)器構(gòu)造成檢測(cè)由光學(xué)傳感器反射的光。檢測(cè)器基于反射光產(chǎn)生電信號(hào)。處理器經(jīng)聯(lián)接以接收電信號(hào)、分析電信號(hào)并基于對(duì)電信號(hào)的分析來(lái)判定能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的狀態(tài)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的監(jiān)測(cè)和管理
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請(qǐng)一般地涉及用于監(jiān)測(cè)和/或管理能量?jī)?chǔ)存和/或電力系統(tǒng)的技術(shù)。本申請(qǐng)還涉及與這些技術(shù)有關(guān)的部件、設(shè)備、系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]本文描述的各種實(shí)施例涉及用于監(jiān)測(cè)和/或管理能量?jī)?chǔ)存設(shè)備、電力系統(tǒng)和其他這種設(shè)備的系統(tǒng)和方法。在一些實(shí)施例中，一種監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)(MMS)包括布置在能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的各部分之內(nèi)或之上的一個(gè)或多個(gè)光纖電纜。每個(gè)光纖電纜包括多個(gè)光學(xué)傳感器。至少一個(gè)光學(xué)傳感器構(gòu)造成檢測(cè)能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的參數(shù)，該參數(shù)與由多個(gè)光學(xué)傳感器中的至少一個(gè)其他光學(xué)傳感器所檢測(cè)的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的參數(shù)不同。MMS包括光源和檢測(cè)器，光源構(gòu)造成向一個(gè)或多個(gè)光纖電纜提供光，檢測(cè)器構(gòu)造成檢測(cè)由光學(xué)傳感器反射的光。檢測(cè)器基于反射光產(chǎn)生電信號(hào)。處理器被聯(lián)接以接收電信號(hào)、分析電信號(hào)并基于對(duì)電信號(hào)的分析來(lái)判定能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的狀態(tài)。在一些實(shí)施方式中，多個(gè)光纖電纜包括多模光纖電纜。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0003]圖1示出根據(jù)本文描述的實(shí)施例的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的總體框圖；
[0004]圖2示出用于電池的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的框圖；
[0005]圖3不出用在電力供應(yīng)檢測(cè)和管理系統(tǒng)中的光纖布拉格光柵(FBG)傳感器的反射光譜；
[0006]圖4示出用于部署在單模光纖電纜上的FBG傳感器的波長(zhǎng)譜中的理想漂移；
[0007]圖5示出用于部署在多模光纖電纜上的FBG傳感器的波長(zhǎng)譜的漂移；
[0008]圖6示出圖5的FBG傳感器的波長(zhǎng)譜調(diào)制包絡(luò)的漂移；
[0009]圖7示出具有多種類(lèi)型的傳感器的電池，所述傳感器布置在所述電池中，以感測(cè)多個(gè)電池參數(shù)；
[0010]圖8是圖7的電池的詳細(xì)視圖，示出傳感器在電池的電極內(nèi)的部署；
[0011]圖9是示出用于電力供應(yīng)檢測(cè)的用來(lái)檢測(cè)在被感測(cè)參數(shù)中的變化的分析器的各部分的框圖；
[0012]圖10是示出使用非像素化光敏檢測(cè)器的分析器的各部分的框圖；
[0013]圖11是封裝的分析器的照片；和
[0014]圖12是示出可以用于能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的管理過(guò)程的流程圖。
[0015]類(lèi)似的附圖標(biāo)記表示類(lèi)似的部件；并且
[0016]除非另有說(shuō)明，否則附圖不需要按比例。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本說(shuō)明書(shū)中描述的實(shí)施例涉及可以用于發(fā)電系統(tǒng)和/或能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的基于光學(xué)的智能監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)。本文描述的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)綜合實(shí)時(shí)性能管理并且減少電力和/或能量系統(tǒng)的超裕度設(shè)計(jì)(overdesign)。本文描述的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)組合嵌入式光纖傳感器以檢測(cè)內(nèi)部能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)參數(shù)，并且還可以包括外部傳感器以檢測(cè)外部能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)參數(shù)。來(lái)自?xún)?nèi)部和/或外部傳感器的輸出可以由智能算法使用，以推斷出能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)狀態(tài)信息并且作出預(yù)測(cè)，例如能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)的健康狀況和剩余可用能量。本文公開(kāi)的方法可應(yīng)用于電池和電池組、燃料電池堆、基于渦輪機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)、和其他類(lèi)型的能量?jī)?chǔ)存和發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)。
[0018]圖1是可以用于能量?jī)?chǔ)存設(shè)備和/或發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)(MMS) 100的框圖。多個(gè)內(nèi)部光學(xué)傳感器111-114布置在能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)101的內(nèi)部，并且可以構(gòu)造成感測(cè)能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)101的多個(gè)內(nèi)部特性。例如，內(nèi)部光學(xué)傳感器111-114可以測(cè)量能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)101的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)，例如內(nèi)部溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、加速度、離子濃度、化學(xué)性質(zhì)和/或其他內(nèi)部參數(shù)。圖1所示的內(nèi)部光學(xué)傳感器111-114檢測(cè)第一、第二和第三參數(shù)。第一、第二和第三參數(shù)是不同類(lèi)型的參數(shù)，例如溫度、應(yīng)變和/或化學(xué)性質(zhì)。在圖示的示例中，傳感器111是用于感測(cè)第一參數(shù)的第一傳感器，傳感器114是同樣感測(cè)第一參數(shù)的第二傳感器。傳感器111和傳感器114可以定位在能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)101內(nèi)的不同位置上，和/或傳感器111和傳感器114的輸出可以被組合以獲得用于第一感測(cè)參數(shù)的平均或合成值?？商鎿Q地，相同類(lèi)型的多個(gè)傳感器可以用于產(chǎn)生在能量?jī)?chǔ)存設(shè)備或發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部和/或外部的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)的空間分布的圖。注意，盡管在本示例中使用術(shù)語(yǔ)第一、第二和第三，但是這些術(shù)語(yǔ)并不是暗示任何等級(jí)或優(yōu)先關(guān)系，而僅是用于在不同的傳感器和/或參數(shù)之間做出區(qū)分。
[0019]內(nèi)部光學(xué)傳感器111-114通過(guò)一個(gè)或多個(gè)光纖(FO)電纜110聯(lián)接到光源120和內(nèi)部參數(shù)分析器130。在某些情況下，光學(xué)傳感器111-114設(shè)置在單一 FO電纜上，來(lái)自傳感器的光學(xué)信號(hào)使用例如光時(shí)分復(fù)用(TDM)和/或光波分復(fù)用(WDM)和/或其他各種光學(xué)信號(hào)復(fù)用的技術(shù)被多路復(fù)用。設(shè)置在FO上的傳感器可以包括任意類(lèi)型(或多種類(lèi)型)的光學(xué)傳感器，包括光纖布拉格光柵(FBG)傳感器和/或標(biāo)準(zhǔn)具或法布里-珀羅(FP)傳感器。FBG、標(biāo)準(zhǔn)具和FP傳感器都在本文中統(tǒng)稱(chēng)為FO傳感器。盡管下面提供的某些示例基于FBG傳感器，可以理解其他類(lèi)型的光學(xué)傳感器也可以可替換地或附加地用在這些和其他示例中。
[0020]光源120通過(guò)光纖電纜110將光提供至內(nèi)部光學(xué)傳感器111-114，在此，傳輸?shù)墓馀c每個(gè)傳感器111-114相互作用。每個(gè)傳感器接收光的特定波長(zhǎng)并且反射光的特定波長(zhǎng)。在一些情況下，一些傳感器同與其他傳感器不同的光相互作用。例如由一些傳感器反射的波長(zhǎng)可以不同于由其他傳感器反射的波長(zhǎng)。由傳感器111-114反射的光被分析器130檢測(cè)至IJ。如下文更詳細(xì)所述，分析器130能夠檢測(cè)從傳感器111-114反射的光的波長(zhǎng)漂移，其中反射光中的波長(zhǎng)漂移表示感測(cè)的內(nèi)部參數(shù)。
[0021]MMS100可以可選地包括外部參數(shù)分析器140，外部參數(shù)分析器140布置在能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)101外部并且構(gòu)造成測(cè)量能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)101的一個(gè)或多個(gè)外部參數(shù)，例如電流、電壓和/或功率輸出。在一些實(shí)施方式中，內(nèi)部參數(shù)分析器130和/或外部參數(shù)分析器140可以分別通過(guò)輸出線131和141電聯(lián)接到管理系統(tǒng)150。內(nèi)部參數(shù)分析器130在輸出線131上提供與內(nèi)部參數(shù)有關(guān)的信息，外部參數(shù)分析器在輸出線141上提供與外部參數(shù)有關(guān)的信息。管理系統(tǒng)150通常包括構(gòu)造成執(zhí)行各種處理的處理器和/或其他電路，這些處理基于由內(nèi)部參數(shù)分析器130和/或外部參數(shù)分析器140提供的信息來(lái)評(píng)估能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)狀態(tài)。根據(jù)各種實(shí)施方式，能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)101的某些方面，例如在電池情況下的充電率和/或充電循環(huán)，可以自動(dòng)地通過(guò)來(lái)自管理系統(tǒng)150的反饋輸出151受到控制。管理系統(tǒng)可以使用來(lái)自?xún)?nèi)部參數(shù)分析器和/或外部參數(shù)分析器的信息，以對(duì)于能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)和/或估計(jì)。這些預(yù)測(cè)和估計(jì)可以使用理論和/或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，并且可以是基于能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)的操作條件、對(duì)內(nèi)部和/或外部參數(shù)的測(cè)量、和/或操作條件和測(cè)量參數(shù)之間的相關(guān)性而可改變的。一些實(shí)施方式可以提供能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，并且因此可以不包括管理系統(tǒng)，和/或在某些實(shí)施方式中，管理系統(tǒng)可以不向能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)提供反饋。
[0022]在一些情況下，基于內(nèi)部和/或外部參數(shù)分析器的信息可以由管理系統(tǒng)150獲得并且可以通過(guò)電子或印刷報(bào)告被提供至操作者。例如，管理系統(tǒng)150可以編譯、分析、統(tǒng)計(jì)和/或總結(jié)內(nèi)部和/或外部參數(shù)，和/或可以基于內(nèi)部和/或外部參數(shù)執(zhí)行其他處理，例如預(yù)測(cè)和/或估計(jì)能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)的狀態(tài)。這些處理的結(jié)果和/或從監(jiān)測(cè)能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)得出的其他信息可以提供成報(bào)告，該報(bào)告可以以圖形或文字或以任意方便形式顯示給能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)的操作者和/或可以被提供給另一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中和/或進(jìn)一步分析。如前所述，本文描述的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)一般地應(yīng)用于各種能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)或能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)部件，包括基于渦輪機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)、電池、燃料電池堆和/或其他類(lèi)型的系統(tǒng)。
[0023]例如，圖1所示的麗SlOO可以用于監(jiān)測(cè)和/或管理向電動(dòng)車(chē)提供電力的電池的充電狀態(tài)和/或健康狀況。圖2示出由電池監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)(BMMS)200監(jiān)測(cè)和/或管理的電池201。BMMS的監(jiān)測(cè)部分包括內(nèi)嵌在電池201的單元202內(nèi)并且設(shè)置在單一光纖(FO)電纜210上的多個(gè)多路復(fù)用FBG傳感器(未示出)。BMMS系統(tǒng)可以包括一個(gè)或多個(gè)FO電纜，其中每個(gè)FO電纜包括多個(gè)傳感器。在各種實(shí)施方式中，電池整體上的內(nèi)部參數(shù)(例如多個(gè)單元間的平均參數(shù))和/或一個(gè)或多個(gè)電池單元的內(nèi)部參數(shù)可以受到監(jiān)測(cè)?？梢杂蓚鞲衅鞅O(jiān)測(cè)的一組非限制示例性參數(shù)包括溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)部壓力、離子濃度和/或化學(xué)成分或濃度中的一種或多種。
[0024]BMMS200包括聯(lián)接到FO電纜210的光源/分析器220。盡管圖2中示出一個(gè)光源/分析器220，但是在某些構(gòu)造中，多個(gè)光源/分析器可以分別聯(lián)接到包括多路復(fù)用光學(xué)傳感器的多個(gè)FO電纜。
[0025]來(lái)自光源220的光傳輸通過(guò)FO電纜210，在此，被傳輸?shù)墓馀c沿著FO電纜210間隔開(kāi)的FBG傳感器相互作用。反射光被光源/分析器220的分析器部分檢測(cè)到并進(jìn)行分析。在一些實(shí)施方式中，電池201的電壓和/或電流和/或其他外部電池參數(shù)可以被測(cè)量并提供給電池管理處理器230。
[0026]FBG傳感器通過(guò)沿著FO電纜的纜芯的有限長(zhǎng)度(通常為幾mm)進(jìn)行折射率的周期性調(diào)制而形成。這種模式反射由FBG傳感器的折射率分布的周期性所確定的被稱(chēng)為布拉格波長(zhǎng)的波長(zhǎng)。實(shí)際上，傳感器通常反射以布拉格波長(zhǎng)為中心的波長(zhǎng)窄帶。在外部刺激的特征值或基值下的布拉格波長(zhǎng)表示為λ，當(dāng)傳感器處于基準(zhǔn)條件下時(shí)反射具有波長(zhǎng)λ的光(和波長(zhǎng)λ附近的窄帶)。例如，基準(zhǔn)條件可以對(duì)應(yīng)于25攝氏度和/或零應(yīng)變。當(dāng)傳感器受到外部刺激(例如溫度、應(yīng)變或其他這種刺激)時(shí)，刺激改變FBG的光柵和折射率的周期性，從而將反射波長(zhǎng)改變成與基準(zhǔn)波長(zhǎng)λ不同的波長(zhǎng)λ3。產(chǎn)生的波長(zhǎng)漂移Λ λ/λ=(λ-λ3)/λ是對(duì)刺激的直接測(cè)量。
[0027]波長(zhǎng)漂移(Λ λ/λ )同時(shí)與FBG傳感器中的應(yīng)變和溫度之間的關(guān)系是:
[0028]Δ λ / λ = {1_η2/2 [ρ12_η (ρη+ρ12) ]} ε j+[ α +1/η (dn/dT) ] Δ T [I]
[0029]其中η是折射率，ρη和Ρ?2是應(yīng)變光學(xué)常數(shù)，ε !是縱向應(yīng)變，α是熱膨脹系數(shù)，T是溫度。在一些實(shí)施方式中，通過(guò)使用(由于設(shè)計(jì)或安裝)受到應(yīng)變和溫度不同影響的多個(gè)FBG傳感器、雙光纖或特殊FBG傳感器與數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)算法結(jié)合，可以將應(yīng)變和溫度對(duì)波長(zhǎng)漂移的影響分開(kāi)。
[0030]檢查在方程式[I]中被量化的FBG傳感器的響應(yīng)，很清楚這些傳感器對(duì)于折射率η、應(yīng)變?chǔ)?JP環(huán)境溫度變化AT中的變化敏感。通過(guò)剝開(kāi)傳感器元件區(qū)域上的FO覆蓋層和/或通過(guò)對(duì)該敏感區(qū)域增加適當(dāng)?shù)耐繉?，可以使折射率η?duì)傳感器的化學(xué)環(huán)境敏感?？商鎿Q地，通過(guò)應(yīng)用將環(huán)境的化學(xué)成分轉(zhuǎn)換成應(yīng)變信號(hào)的特殊涂層可以使FBG傳感器對(duì)化學(xué)環(huán)境敏感(例如，基于鈀涂層的氫傳感器)。根據(jù)本文討論的實(shí)施例，光學(xué)傳感器(例如FBG傳感器)用于檢測(cè)電池單元中的可能影響性能的化學(xué)成分變化。這樣的示例是在Li離子電池中由于水分滲透引起形成腐蝕劑、氟化氫(HF)。
[0031]FBG對(duì)溫度變化的敏感性使得能夠監(jiān)測(cè)到電池單元內(nèi)的局部溫度。盡管這一般地對(duì)于電池系統(tǒng)管理有用，但是這對(duì)熱失控(thermal runaway)的早期檢測(cè)特別有益。熱失控影響很多電池化學(xué)性能，并且由于Li離子電池的高能量密度而在Li離子電池中會(huì)是毀滅性的。在熱失控期間，失效單元的高熱量會(huì)傳播到下一個(gè)單元，使得下一個(gè)單元也變得熱不穩(wěn)定。在一些情況下，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其中每個(gè)單元以其自身的時(shí)間表分解。電池單元組可以在幾秒內(nèi)被毀滅，或者會(huì)拖延幾個(gè)小時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)單元一個(gè)接一個(gè)被消耗 。
[0032]FBG傳感器對(duì)應(yīng)變的敏感性使得能夠?qū)BG傳感器嵌入到電池電極中以監(jiān)測(cè)電極的膨脹/收縮循環(huán)(這對(duì)于估計(jì)例如鋰離子電池中的充電水平有用)。附加地，電極應(yīng)變測(cè)量允許檢查電極的劣化，并因此檢查電池的整體劣化。對(duì)應(yīng)變的FBG敏感性還允許通過(guò)獲取單元壁應(yīng)變來(lái)測(cè)量?jī)?nèi)部單元壓力。
[0033]在使用FBG傳感器測(cè)量電力供應(yīng)參數(shù)時(shí)，有利的是區(qū)分并量化感興趣的多個(gè)參數(shù)的單獨(dú)貢獻(xiàn)(contribution)。在一些情況下,可以使用多傳感器構(gòu)造，以使得感興趣的參數(shù)可以補(bǔ)償其他參數(shù)的貢獻(xiàn)。例如，雙傳感器手段可以用于溫度補(bǔ)償化學(xué)感測(cè)，其中兩個(gè)傳感器可以布置得很靠近。在一些實(shí)施方式中，兩個(gè)傳感器中的第一傳感器暴露于溫度并且還通過(guò)剝開(kāi)該第一傳感器的覆蓋層而暴露于化學(xué)環(huán)境。兩個(gè)傳感器中用于補(bǔ)償?shù)牡诙鞲衅鞅Ａ羝涓采w層并且僅對(duì)溫度敏感。類(lèi)似構(gòu)造可以用于溫度補(bǔ)償應(yīng)變測(cè)量和應(yīng)變補(bǔ)償溫度測(cè)量。
[0034]對(duì)于溫度補(bǔ)償應(yīng)變測(cè)量，兩個(gè)FBG傳感器放置得很靠近，其中第一傳感器暴露于應(yīng)變和溫度，用于補(bǔ)償?shù)牡诙鞲衅鞅┞队跍囟榷槐┞队趹?yīng)變。第二傳感器的溫度測(cè)量用于補(bǔ)償?shù)谝粋鞲衅鞯膽?yīng)變測(cè)量中的溫度變化。例如，第一傳感器可以放置在電池的電極或單元壁內(nèi)，第二傳感器在受到已知的/或不改變的應(yīng)變的同時(shí)，可以放置在第一傳感器的位置附近和/或與第一傳感器的位置具有大約相等溫度的位置處。例如，第二傳感器可以放置在電極或單元壁附近但不是在電極或單元壁內(nèi)。
[0035]光纖傳感器已經(jīng)被證實(shí)能承受各種惡劣環(huán)境和在各種惡劣環(huán)境中運(yùn)行。所使用的最通常材料是硅石(silica)，硅石耐腐蝕、可以承受高拉伸應(yīng)變并且可以在-200°C和800°C之間依然能使用?；诠枋腇BG傳感器一致地提供它們的峰值波長(zhǎng)與溫度的可重復(fù)相依性，并且在高達(dá)300°C下完成的測(cè)試中沒(méi)有熱滯。期望FBG傳感器將在鉛酸電池中長(zhǎng)期存活(13-25年)，并且在HF (Li離子電池的副產(chǎn)物:期望一年要比在開(kāi)始形成HF之后Li離子電池的壽命更長(zhǎng))中存活至少高達(dá)一年。各種類(lèi)型的塑料也對(duì)于FO電纜和光學(xué)傳感器有用。光纖傳感器(例如FBG傳感器)和標(biāo)準(zhǔn)具(FP)傳感器相對(duì)于沖擊和振動(dòng)是穩(wěn)定的。因此，能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)(例如電池)中的嵌入式光纖傳感器提供覆蓋各種架構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)的可靠測(cè)量和監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)的有吸引力方案。
[0036]基于FBG的感測(cè)允許將多個(gè)感測(cè)元件(例如約64個(gè)傳感器)結(jié)合在單一 FO電纜上。每個(gè)傳感器可以通過(guò)多路復(fù)用(例如WDM或TDM)被單獨(dú)詢(xún)問(wèn)。圖3中示出用于多個(gè)傳感器的波分復(fù)用的一個(gè)【具體實(shí)施方式】。寬帶光源310與多個(gè)FBG傳感器321-323 —起使用。FBG傳感器321-323中的每一個(gè)被調(diào)節(jié)以主要地對(duì)不同波長(zhǎng)帶的光進(jìn)行反射，并且沿著FO電纜彼此間隔開(kāi)地并且在與光源310相距不同距離處部署在同一光纖上。每個(gè)FBG傳感器被指定為測(cè)量不同參數(shù)或參數(shù)組合。與各個(gè)FBG的特征基礎(chǔ)波長(zhǎng)之間的間隔相比，由檢測(cè)的參數(shù)的變化所引起的波長(zhǎng)漂移較小。因此，可以在光學(xué)WDM方案中使用線性可變?yōu)V波器或色散元件來(lái)將來(lái)自不同F(xiàn)BG的信息分開(kāi)?？商鎿Q地，光學(xué)TDM方案可以被實(shí)施為通過(guò)在FO電纜中傳輸一系列光的短脈沖而進(jìn)行操作，其中光脈沖的波長(zhǎng)彼此不同并且選擇性地針對(duì)沿著FO電纜的各種FBG傳感器。
[0037]圖 3示出利用使用光學(xué)WDM被多路復(fù)用的傳感器輸出來(lái)監(jiān)測(cè)能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)的多個(gè)參數(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。如圖3所示，寬帶光被光源310發(fā)出，例如，光源310可以包括或者是發(fā)光二極管(LED)或超輻射激光二極管(SLD)。寬帶光的光譜特性(強(qiáng)度對(duì)波長(zhǎng))由插圖曲線391示出。光通過(guò)FO電纜311被傳輸?shù)降谝?FBG傳感器321。第一 FBG傳感器321反射具有中央或峰值波長(zhǎng)λ ^勺第一波長(zhǎng)帶中的一部分光。具有第一波長(zhǎng)帶之外的其他波長(zhǎng)的光被傳輸通過(guò)第一 FBG傳感器321而到達(dá)第二 FBG傳感器322。傳輸?shù)降诙?FBG傳感器322的光的光譜特性在插圖曲線392中示出，并且呈現(xiàn)為在以A1為中心的第一波長(zhǎng)帶處的凹口，表不該波長(zhǎng)帶中的光被第一傳感器321反射。
[0038]第二 FBG傳感器322反射具有中央或峰值波長(zhǎng)λ 2的第二波長(zhǎng)帶中的一部分光。未被第二 FBG傳感器322反射的光被傳輸通過(guò)第二 FBG傳感器322而到達(dá)第三FBG傳感器323。被傳輸?shù)降谌鼺BG傳感器323的光的光譜特性在插圖曲線393中示出，并且包括以λ ι和λ 2為中心的凹口。
[0039]第三FBG傳感器323反射具有中央或峰值波長(zhǎng)λ 3的第三波長(zhǎng)帶中的一部分光。未被第三FBG傳感器323反射的光被傳輸通過(guò)第三FBG傳感器323。被傳輸通過(guò)第三FBG傳感器323的光的光譜特性在插圖曲線394中不出，并且包括以入1、入2和λ 3為中心的凹□。
[0040]具有中央波長(zhǎng)入1、入2和λ3的波長(zhǎng)帶381、382、383 (插圖曲線395中示出)中的光沿著FO電纜311和311’分別被第一、第二或第三FBG傳感器321、322、323反射到分析器330。分析器330可以將中央波長(zhǎng)λ P λ 2和λ 3中的每一者的漂移和/或由傳感器321-323反射的波長(zhǎng)帶與特征基礎(chǔ)波長(zhǎng)(已知波長(zhǎng))進(jìn)行對(duì)比，以判定由傳感器321-323檢測(cè)的參數(shù)是否已經(jīng)發(fā)生變化。分析器可以基于波長(zhǎng)分析來(lái)判定一個(gè)或多個(gè)檢測(cè)的參數(shù)已經(jīng)改變，并且可以計(jì)算變化的相對(duì)或絕對(duì)測(cè)量結(jié)果。[0041]在一些情況下，代替發(fā)射寬帶光，光源可以掃描波長(zhǎng)范圍，發(fā)出窄波長(zhǎng)帶中的光，布置在FO電纜上的各種傳感器對(duì)該窄波長(zhǎng)帶中的光敏感。在相對(duì)于窄帶光的發(fā)射定時(shí)的多個(gè)感測(cè)周期中感測(cè)反射光。例如，考慮傳感器1、2和3布置在FO電纜上的方案。傳感器I對(duì)波長(zhǎng)帶(WBl)敏感，傳感器2對(duì)波長(zhǎng)帶WB2敏感，傳感器3對(duì)WB3敏感。光源可以受到控制以在時(shí)間周期I中發(fā)出具有WBl的光，并且在與時(shí)間周期I重疊的時(shí)間周期Ia中感測(cè)反射光。在時(shí)間周期Ia之后，光源可以在時(shí)間周期2中發(fā)出具有WB2的光并且在與時(shí)間周期2重疊的時(shí)間周期2a中感測(cè)反射光。在時(shí)間周期2a之后，光源可以在時(shí)間周期3中發(fā)出具有WB3的光并且在與時(shí)間周期3重疊的時(shí)間周期3a中感測(cè)反射光。使用這種形式的TDM,每個(gè)傳感器可以在分離的時(shí)間周期中被詢(xún)問(wèn)。
[0042]用于能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的FO電纜可以包括單模(SM)FO電纜(如圖3所示)或可以包括多模(MM) FO電纜。盡管單模光纖電纜提供更易于解釋的信號(hào)以實(shí)現(xiàn)更廣泛的適用性和更低的制造成本，但是也可以使用多模光纖。
[0043]MM光纖可以由塑料而不是硅石制成，硅石通常用于SM光纖。塑料光纖當(dāng)與硅石光纖的回轉(zhuǎn)半徑相比時(shí)具有更小的回轉(zhuǎn)半徑，從而使得塑料光纖對(duì)于例如嵌入在電池單元和在燃料電池堆的單獨(dú)單元中更加實(shí)用。此外，麗光纖可以利用比較便宜的光源(例如LED)進(jìn)行操作，這與SM光纖相反，SM光纖會(huì)需要利用超輻射二極管(SLD)進(jìn)行更精密的對(duì)準(zhǔn)。因此，基于MM光纖中的光學(xué)傳感器的感測(cè)系統(tǒng)期望產(chǎn)生更低成本的系統(tǒng)。
[0044]圖4是從部署在SM FO電纜上的FBG傳感器反射的光的理想表示。在特征基礎(chǔ)或已知狀態(tài)中，F(xiàn)BG傳感器反射具有中央或峰值波長(zhǎng)λ的相對(duì)窄波長(zhǎng)帶410中的光。在FBG傳感器經(jīng)歷感測(cè)條件的變化(例如，溫度、應(yīng)變、化學(xué)環(huán)境的變化)之后，由傳感器反射的光漂移到具有中央波長(zhǎng)Xs的不同波長(zhǎng)帶420。波長(zhǎng)帶420當(dāng)與波長(zhǎng)帶410相比時(shí)在寬度、幅度和其他形態(tài)特征方面類(lèi)似，但是波長(zhǎng)帶420的中央波長(zhǎng)λ s從波長(zhǎng)帶410的中央波長(zhǎng)λ漂移430 了與感測(cè)條件的變化有關(guān)的量。例如，類(lèi)似寬度的波長(zhǎng)帶可以被認(rèn)定為具有類(lèi)似的半最大值全寬度(FWHM)值的波長(zhǎng)帶。
[0045]圖5示出來(lái)自部署在麗FO電纜上的FBG傳感器的實(shí)際數(shù)據(jù)。部署在麗FO電纜上的FBG傳感器反射多個(gè)波長(zhǎng)帶中的光，與SM FO電纜上的FBG傳感器相反，在SM FO電纜上的FBG傳感器中只有一個(gè)波長(zhǎng)帶被光柵反射。在特征基礎(chǔ)條件下，傳感器反射可以如曲線510所示的包括多個(gè)更窄波長(zhǎng)帶(也成為模)的特征譜。當(dāng)被感測(cè)的參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，反射波長(zhǎng)譜520基本保持其形狀，但是響應(yīng)于感測(cè)條件而沿波長(zhǎng)漂移。本文討論的分析器特別適合于詢(xún)問(wèn)MM FBG傳感器，因?yàn)檫@些分析器檢測(cè)光譜中心(波長(zhǎng)譜調(diào)制包絡(luò)的中心值)，而不是單獨(dú)模的漂移。圖6示出基礎(chǔ)波長(zhǎng)譜510的基礎(chǔ)波長(zhǎng)譜調(diào)制包絡(luò)610，表示當(dāng)FBG傳感器在基礎(chǔ)條件下時(shí)的反射光。包絡(luò)610可以中央或峰值波長(zhǎng)λ。和FWHM值為特征。當(dāng)暴露于被感測(cè)的條件時(shí)，波長(zhǎng)譜520的反射波長(zhǎng)譜調(diào)制包絡(luò)620漂移到新的中央或峰值波長(zhǎng)λ cs0包絡(luò)620可以FWHM值和中央或峰值波長(zhǎng)λ cs為特征。漂移的包絡(luò)620的FWHM值可以保持基本上從基礎(chǔ)FWHM值未改變，但是中央或峰值波長(zhǎng)入。3從基礎(chǔ)中央波長(zhǎng)λ。漂移了與感測(cè)參數(shù)的變化相關(guān)的量。
[0046]圖7示出具有SM FO電纜710的Li離子電池701的一部分，其中多個(gè)光學(xué)傳感器721-725沿著SM F0710部署，以使得傳感器721-725布置在電池701內(nèi)的策略性位置上。一個(gè)或多個(gè)傳感器感測(cè)的電池參數(shù)不同于由一個(gè)或多個(gè)其他FBG傳感器檢測(cè)的電池參數(shù)。電池701包括多個(gè)單元，每個(gè)單元具有由間隔層704分隔開(kāi)的陽(yáng)極電極702和陰極電極703。
[0047]光學(xué)傳感器包括設(shè)置在電池的第一電極上或嵌入在第一電極內(nèi)的第一應(yīng)變傳感器721、和設(shè)置在電池的第二電極上或嵌入在第二電極內(nèi)的第二應(yīng)變傳感器725。在本示例中，第一應(yīng)變傳感器721和第二應(yīng)變傳感器725布置在電極上或電極內(nèi)，電極設(shè)置在電池701的相對(duì)側(cè)上。SM FO電纜710還包括兩個(gè)溫度傳感器722、724。在圖7的實(shí)施例中，化學(xué)傳感器723布置在溫度傳感器722、724之間。
[0048]圖8不出在傳感器721位置處電池701的一部分的放大橫截面圖。陰極703包括陰極材料703a和陰極集電器703b，陰極材料703a設(shè)置在電解質(zhì)基體705內(nèi)。陽(yáng)極包括陽(yáng)極材料702a和陽(yáng)極集電器702b，陽(yáng)極材料702a設(shè)置在電解質(zhì)基體705內(nèi)。陽(yáng)極702和陰極703由分離體層(separator layer) 704分隔開(kāi)。SM FO電纜710包括傳感器721的一部分嵌入在陽(yáng)極702內(nèi)，其中光學(xué)傳感器721可以用于測(cè)量陽(yáng)極702的應(yīng)變和/或溫度。
[0049]圖7和圖8示出包括商用單模光纖(SM F0)電纜的一個(gè)代表性實(shí)施例，多個(gè)FBG傳感器插入在Li離子電池中，這些FBG傳感器在1.55um波長(zhǎng)范圍內(nèi)操作并且用于溫度、應(yīng)變和化學(xué)感測(cè)。為在應(yīng)變和溫度之間進(jìn)行區(qū)分，使用特殊應(yīng)變傳感器或傳感器的組合。例如，特殊應(yīng)變傳感器可以與由分析器或MMS實(shí)施的補(bǔ)償處理結(jié)合使用。這些補(bǔ)償處理根據(jù)溫度補(bǔ)償應(yīng)變。在很多情況下，熱響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)慢于彈性響應(yīng)時(shí)間。在應(yīng)變信號(hào)以遠(yuǎn)高于溫度的頻率改變(例如，在以50Hz旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)中或在電動(dòng)車(chē)(EV)中快速放電的電池中)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償/分離。
[0050]可替換地，如上所述可以使用兩個(gè)傳感器，其中補(bǔ)償光學(xué)傳感器布置在與電極分離的位置上，因此對(duì)溫度敏感但是不受到電極應(yīng)變影響。來(lái)自補(bǔ)償傳感器的信號(hào)用于對(duì)來(lái)自用于測(cè)量電極應(yīng)變的傳感器的信號(hào)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
[0051]兩個(gè)溫度傳感器722、724可以在相同波長(zhǎng)下操作，或者兩個(gè)傳感器722、724可以在詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)帶內(nèi)的波長(zhǎng)下操作。在任一情況下，傳感器可以被同時(shí)詢(xún)問(wèn)以提供平均單元內(nèi)部溫度。當(dāng)光源發(fā)出包括兩個(gè)傳感器都反射的波長(zhǎng)帶的詢(xún)問(wèn)光時(shí)，發(fā)生同時(shí)詢(xún)問(wèn)。最靠近光源的傳感器反射波長(zhǎng)帶中的第一部分光，第二傳感器反射波長(zhǎng)帶中的第二部分光。注意，如果多個(gè)FBG傳感器具有相同或重疊的波長(zhǎng)范圍，則傳感器的反射性會(huì)相對(duì)低。否則，來(lái)自最遠(yuǎn)離光源的傳感器的反射信號(hào)將被更靠近光源的傳感器反射。在特定波長(zhǎng)下多個(gè)傳感器中的第一傳感器可以基本不受影響，但是根據(jù)透射/反射的信號(hào)強(qiáng)度，在該波長(zhǎng)下每個(gè)后續(xù)傳感器會(huì)具有減小的敏感性。在詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有不重疊波長(zhǎng)范圍的兩個(gè)傳感器對(duì)于它們的反射性來(lái)說(shuō)不受如此約束，并且如果詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)范圍與兩個(gè)傳感器的波長(zhǎng)敏感性范圍重疊，則仍然可以同時(shí)被詢(xún)問(wèn)。
[0052]兩個(gè)應(yīng)變傳感器721、725也可以在同樣的波長(zhǎng)范圍中、或者在與用于溫度傳感器722、724的波長(zhǎng)范圍不同的詢(xún)問(wèn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行操作。在圖7所示的實(shí)施例中，應(yīng)變傳感器721,725嵌入到在電池701的相對(duì)側(cè)上的最外的電極內(nèi)，以獲得電池的平均電極應(yīng)變(在補(bǔ)償溫度影響之后)。
[0053]化學(xué)傳感器723可以是功能化應(yīng)變傳感器，例如具有涂層的應(yīng)變傳感器，該涂層對(duì)圍繞該應(yīng)變傳感器的特定化學(xué)/離子溶液的濃度反向敏感，并且隨著化學(xué)濃度增大/減小而膨脹或收縮，從而反射表示化學(xué)/離子濃度的信號(hào)?？商鎿Q地，側(cè)面拋光的FBG傳感器可以用于檢測(cè)電池化學(xué)性質(zhì)，其中側(cè)面拋光暴露出FBG以使得通過(guò)暴露于電池的化學(xué)環(huán)境而引起由傳感器反射的信號(hào)的變化?；瘜W(xué)傳感器723可以用于提供與由老化相關(guān)的劣化引起的電解質(zhì)的不利化學(xué)變化有關(guān)的信息。五個(gè)傳感器721-725可以利用寬帶光源(例如一個(gè)或多個(gè)超輻射LED或LD)照明，由傳感器721-725產(chǎn)生的反射峰值將在光譜上分開(kāi)并且唯一地與FBG傳感器721-725中的每種類(lèi)型相關(guān)。如本文更詳細(xì)描述的，反射峰值中的光譜漂移將由分析器分辨出。如上所述，這種詢(xún)問(wèn)技術(shù)可以與時(shí)分多路復(fù)用(在不同的時(shí)刻打開(kāi)不同的光源以詢(xún)問(wèn)傳感器的特定子組)組合。
[0054]商業(yè)應(yīng)用的更經(jīng)濟(jì)構(gòu)造將使用麗FO電纜，代替圖7和圖8所示的SM FO電纜。麗FO電纜比SM FO具有更大的纜芯直徑(通常>50 μ m)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)化的系統(tǒng)組件。此外，MM FO能夠使用標(biāo)準(zhǔn)LED作為寬帶光源，標(biāo)準(zhǔn)LED比超輻射LED便宜很多。本文討論的分析器特別適合于上面設(shè)置有光學(xué)傳感器的MM F0，這是因?yàn)檫@些分析器能夠判定所有模的平均波長(zhǎng)漂移，而不是單獨(dú)的模的波長(zhǎng)漂移。此外，本文討論的分析器對(duì)于入射光的FWHM非常不敏感。
[0055]FBG溫度傳感器的典型波長(zhǎng)漂移是約10pm/K，使得100°C的代表性動(dòng)態(tài)范圍對(duì)應(yīng)于Inm的總波長(zhǎng)變化。在MM光纖中具有IOpm的期望波長(zhǎng)檢測(cè)精度(在SM光纖中被證實(shí)為30fm)的情況下，可實(shí)現(xiàn)1°C的溫度精度。對(duì)于應(yīng)變測(cè)量，對(duì)于在Li電池電極中10%的報(bào)告體積變化，估計(jì)電極在每個(gè)方向上的總長(zhǎng)度變化為約3.2%。因此，即使利用MM光纖，F(xiàn)BG應(yīng)變傳感器也適合于測(cè)量100 μ ε的相對(duì)長(zhǎng)度變化。這暗示在Li離子電極中典型的最小
3.2%的峰值應(yīng)變的精度為l/320th或更好。為檢測(cè)不利化學(xué)成分變化(在Li離子電池的情況下為形成HF)，可以實(shí)現(xiàn)50ppm的HF可檢測(cè)性。檢測(cè)到HF達(dá)到該水平，對(duì)于早期HF檢測(cè)來(lái)說(shuō)足夠了，表示密封有問(wèn)題或會(huì)快速使單元電極老化的其他水分侵入問(wèn)題。
[0056]圖9是示出光源和分析器900的各部分的框圖，該光源和分析器900可以用于檢測(cè)和/或解釋從具有多個(gè)光學(xué)傳感器的MM或SM FO電纜接收的光學(xué)信號(hào)，這些光學(xué)傳感器布置在能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)的內(nèi)部、其上或周?chē)奈恢锰?。光?05將輸入光通過(guò)F0906傳輸?shù)絺鞲衅?。分析?00包括可以可選地用于分析由傳感器反射并由F0910傳播的光的各種分量。分析器900包括可選的擴(kuò)散部件940，該擴(kuò)散部件940構(gòu)造成使來(lái)自FO電纜910的光準(zhǔn)直和/或在線性變化透射結(jié)構(gòu)(LVTS) 930的輸入表面上擴(kuò)散。在從FO發(fā)生光的充分?jǐn)U散的布置中，可以不使用擴(kuò)散部件。LVTS930可以包括色散元件，例如棱鏡或線性可變?yōu)V波器。LVTS930在其輸入表面931處(從F0910和(可選地)從擴(kuò)散部件940)接收光，并且使光從LVTS930的輸出表面932發(fā)出。在LVTS930的輸出表面932，光的波長(zhǎng)隨著沿著輸出表面932的距離變化。因此，LVTS930可以用于根據(jù)光的波長(zhǎng)對(duì)在LVTS930的輸入表面931入射的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行多路分用(demultiplex)。圖9示出從LVTS930發(fā)射的兩個(gè)波長(zhǎng)帶(稱(chēng)作發(fā)射帶)，第一發(fā)射帶具有中央波長(zhǎng)λ a并且沿著輸出表面932從距基準(zhǔn)位置(REF)為距離4處發(fā)射出。第二發(fā)射帶具有中央波長(zhǎng)Xb，并且從距基準(zhǔn)位置為距離db處發(fā)射出。位置敏感檢測(cè)器(PSD)950相對(duì)于LVTS930進(jìn)行定位，以使得通過(guò)LVTS930發(fā)出的光落在PSD上。例如，具有波長(zhǎng)入3的光落在PSD950的區(qū)域a上，具有波長(zhǎng)λ b的光落在PSD950的區(qū)域b上。PSD產(chǎn)生沿著輸出951的電信號(hào)，該電信號(hào)包括與從LVTS輸出的光的位置(以及波長(zhǎng))有關(guān)的信息。來(lái)自PSD的輸出信號(hào)由處理器960使用以檢測(cè)由傳感器反射的波長(zhǎng)的漂移。
[0057]PSD可以是或者包括非像素化檢測(cè)器(例如大面積光電二極管)或像素化檢測(cè)器(例如光電二極管陣列或電荷耦合檢測(cè)器(CXD))。像素化的一維檢測(cè)器包括一排光敏元件，而二維像素化檢測(cè)器包括光敏元件的nXk陣列。在使用像素化檢測(cè)器的情況下，與像素對(duì)應(yīng)的每個(gè)光敏兀件可以產(chǎn)生表不在該兀件上入射的光量的電輸出信號(hào)。處理器960可以構(gòu)造成掃描過(guò)輸出信號(hào)，以判定透射光斑的位置和位置變化。已知LVTS的特性允許判定第一發(fā)射帶和/或第二發(fā)射帶的(多個(gè))峰值波長(zhǎng)和(多個(gè))峰值波長(zhǎng)的漂移。第一發(fā)射帶或第二發(fā)射帶的波長(zhǎng)漂移可以被檢測(cè)為在位置a或b處透射光斑的偏移。這可以例如通過(guò)判定PSD的特定像素或像素組的標(biāo)準(zhǔn)化差動(dòng)電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0058]例如，考慮具有發(fā)射帶EBa的光斑A在位置a處入射在PSD上的示例。Ial是由光斑A在PSD中通過(guò)位置al處的像素/像素組產(chǎn)生的電流，Ia2是由光斑A在PSD中通過(guò)位置a2處的像素/像素組產(chǎn)生的電流。具有發(fā)射帶EBb的光斑B在位置b處入射在PSD上。Ibl是由光斑B在PSD中通過(guò)位置bl處的像素/像素組產(chǎn)生的電流，Ib2是由光斑B在PSD中通過(guò)位置b2處的像素/像素組產(chǎn)生的電流。
[0059]由在位置al和a2處的像素或像素組產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化差動(dòng)電流信號(hào)可以寫(xiě)成(Ial-1a2) / (Ial+Ia2)，這表示光斑A在PSD上的位置?？梢詮墓獍逜在PSD上的位置來(lái)判定EBa的波長(zhǎng)。
[0060]類(lèi)似的，由在位置bl和b2處的像素或像素組產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化差動(dòng)電流信號(hào)可以寫(xiě)成(Ibl-1b2)/(Ibl+Ib2)，這表示光斑B在PSD上的位置?？梢詮墓獍連在PSD上的位置來(lái)判定EBb的波長(zhǎng)。
[0061]圖10是示出包括非像素化一維PSD1050的分析器1000的各部分的框圖。分析器1000包括與前述擴(kuò)散部件940類(lèi)似的可選的擴(kuò)散部件1040。擴(kuò)散部件1040構(gòu)造成使來(lái)自FO電纜1010的光準(zhǔn)直和/或在線性變化透射結(jié)構(gòu)(LVTS) 1030的輸入表面1031上擴(kuò)散。在圖10所示的實(shí)施方式中，LVTS1030包括線性可變?yōu)V波器(LVF)，線性可變?yōu)V波器包括沉積在PSD1050上的層以形成一體結(jié)構(gòu)。圖示示例中的LVTS1030包括兩個(gè)反射鏡，例如彼此間隔開(kāi)的分布式布拉格反射器(DBR)1033、1034，以形成光學(xué)腔1035。DBR1033、1034可以例如使用高折射率對(duì)比電介質(zhì)材料(highrefractive index contrast dielectric materials)(例如SiO2和TiO2)的交替層形成。一個(gè)DBR1033相對(duì)于另一 DBR1034傾斜，從而形成非均勻光學(xué)腔1035?？梢岳斫?，當(dāng)光傾斜地入射在輸入表面上時(shí)，LVF可以可替換地使用均勻光學(xué)腔。
[0062]圖10所示的PSD1050表示非像素化一維PSD，盡管還可以用二維非像素化PSD(和一維或二維像素化PSD)。PSD1050可以包括例如大面積光電二極管，該大面積光電二極管包括半導(dǎo)體，例如InGaAs。兩個(gè)接觸部1053、1054布置成沿著PSD的半導(dǎo)體的第一邊緣和第二邊緣延伸，以收集由入射在PSD1050的表面上的光所產(chǎn)生的電流。當(dāng)光斑1099入射在PSD1050上時(shí)，最靠近光斑的接觸部收集更多的電流，遠(yuǎn)離光斑的接觸部收集較少量的電流。來(lái)自第一接觸部1053的電流表示為I1，來(lái)自第二接觸部1054的電流表示為12。處理器1060構(gòu)造成判定標(biāo)準(zhǔn)化差動(dòng)電流(I1-12V(IJI2)、透射光斑的位置，因此可以判定在LVTS1030的輸入表面1031上入射的光的主要波長(zhǎng)。該主要波長(zhǎng)可以與已知波長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比以判定波長(zhǎng)的漂移量。波長(zhǎng)的漂移可以與被感測(cè)參數(shù)的變化相關(guān)。在兩個(gè)發(fā)射帶(產(chǎn)生兩個(gè)空間分離的光斑)在同一時(shí)刻入射到檢測(cè)器的情況下，檢測(cè)器僅能夠提供兩個(gè)發(fā)射帶的平均波長(zhǎng)和波長(zhǎng)漂移。如果兩個(gè)發(fā)射帶的波長(zhǎng)和波長(zhǎng)漂移需要被單獨(dú)確定，則兩個(gè)發(fā)射帶需要在不同的時(shí)刻(時(shí)分復(fù)用)入射到檢測(cè)器。
[0063]在其他實(shí)施例中，可以使用二維非像素化PSD，其中邊緣接觸部沿著所有四個(gè)邊緣延伸。可以通過(guò)分析從四個(gè)接觸部中的每一個(gè)收集的電流來(lái)確定中央反射波長(zhǎng)的位置。圖10中所示的分析器的部分可以一起封裝在適當(dāng)?shù)耐鈿?例如T05晶體管管座)內(nèi)，如圖11所示。
[0064]被感測(cè)的參數(shù)信息可以與電力系統(tǒng)(例如電池)的建模組合起來(lái)，以估計(jì)電池的操作變量，例如充電狀態(tài)和/或健康狀況。圖12是示出用來(lái)確定SOC和SOH的過(guò)程的流程圖。估計(jì)SOH和/或SOC可以用各種方式執(zhí)行。一個(gè)實(shí)施例可以是，通過(guò)根據(jù)基本原理或者根據(jù)從特征性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行物理建模，來(lái)開(kāi)發(fā)用于電池操作和測(cè)量方案的模型。電池操作模型1210包括電池狀態(tài)變量(如電荷、離子濃度、電壓、溫度或上述各項(xiàng)的子集)如何根據(jù)載荷和環(huán)境因素(如電流、環(huán)境溫度和壓力、或這些項(xiàng)的某一子集)變化。電池管理模型1212表示來(lái)自電池單元中的FO傳感器的感測(cè)參數(shù)1205與電池狀態(tài)變量之間的關(guān)系，并且包括傳感器的行為動(dòng)態(tài)。來(lái)自這兩個(gè)模型的信息以及被感測(cè)值可以通過(guò)狀態(tài)跟蹤、過(guò)濾或估計(jì)技術(shù)進(jìn)行組合，以估計(jì)電池1215中的剩余電荷。通過(guò)將該電荷除以電池的期望總?cè)萘縼?lái)獲得對(duì)SOC的粗略估計(jì)。但是，并非所有的剩余電荷都可利用，因?yàn)檫@取決于載荷和環(huán)境因素以及相關(guān)BMMS的截止閾值。因此，預(yù)期未來(lái)使用的統(tǒng)計(jì)分布(stochasticdistribution)可以用于獲得剩余有用電荷1225，然后該值可以用于估計(jì)1230S0C或“可用的” SOC。
[0065]對(duì)于SOH計(jì)算可以遵循類(lèi)似過(guò)程，其中電池容量估計(jì)模型1235和電池容量損失模型1240可以組合以更好地估計(jì)1245當(dāng)前電池容量，電池容量估計(jì)模型1235計(jì)算當(dāng)前電池容量，作為測(cè)量的已用電荷(庫(kù)侖計(jì)數(shù))和剩余可用電荷的總和，電池容量損失模型1240基于循環(huán)壽命、使用條件和存儲(chǔ)環(huán)境表不容量從一個(gè)循環(huán)(全放電時(shí)間稱(chēng)作一個(gè)循環(huán))到另一循環(huán)如何變化。注意，每個(gè)模型可以單獨(dú)地用于分別從當(dāng)前循環(huán)測(cè)量或前次循環(huán)測(cè)量獲得容量。但是，由于傳感器誤差、模型不確定性和大部分實(shí)際使用循環(huán)是部分循環(huán)的事實(shí)，組合容量估計(jì)比單獨(dú)估計(jì)更好。隨后，未來(lái)循環(huán)壽命的統(tǒng)計(jì)分布1250可以用于預(yù)測(cè)1255剩余循環(huán)的數(shù)量，直到容量降到低于壽命終止閾值為止。然后SOH可以被計(jì)算1260，作為當(dāng)前容量在額定容量上的分?jǐn)?shù)或剩余循環(huán)在預(yù)期總循環(huán)數(shù)量的分?jǐn)?shù)。SOH還可以使用通過(guò)試驗(yàn)或操作數(shù)據(jù)應(yīng)用的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)根據(jù)內(nèi)部參數(shù)(例如電池阻抗)獲得，并且將該SOH映射變換成容量或循環(huán)壽命。
[0066]其他實(shí)施例可以跳過(guò)部分建模步驟，并且可以通過(guò)使用如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或其他機(jī)器學(xué)習(xí)算法的技術(shù)來(lái)得出感測(cè)值和電池狀態(tài)(S0C和S0H)之間的直接關(guān)系。
[0067]本文公開(kāi)的實(shí)施例涉及嵌入在能量?jī)?chǔ)存/電力系統(tǒng)的各種部件內(nèi)(例如在電池的單獨(dú)單元內(nèi))的單一光纖上的的多路復(fù)用光學(xué)傳感器。當(dāng)用在電池應(yīng)用中時(shí)，本文描述的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)能夠測(cè)量電極應(yīng)變、離子濃度、內(nèi)部溫度、內(nèi)部壓力、和/或不利化學(xué)成分，上述各項(xiàng)中每一者都是電池的內(nèi)部單元狀態(tài)變量。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，25個(gè)傳感器被多路復(fù)用并具有約IOOHz的采樣頻率。應(yīng)變測(cè)量精度對(duì)于多路復(fù)用SM FO形式為約10 μ ε，或者對(duì)于多路復(fù)用麗FO形式為100 μ ε。100μ ε的應(yīng)變測(cè)量精度足以測(cè)量Li離子電池的電極應(yīng)變(該電極應(yīng)變具有32000 μ ε或更高的峰值應(yīng)變幅值)和單元壓力，并具有用于SOC/SOH判定的足夠精度。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于多路復(fù)用SM FO形式為約0.5°C和對(duì)于多路復(fù)用麗FO形式為rc的溫度測(cè)量精度。rc的溫度測(cè)量精度足以用于對(duì)熱失控的早期檢測(cè)并且也足以考慮模型補(bǔ)償以判定SOC。在某些實(shí)施例中，監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)能夠檢測(cè)不良化學(xué)成分。例如，系統(tǒng)的多路復(fù)用SM FO形式和多路復(fù)用麗FO形式兩者都能夠檢測(cè)50ppm的HF濃度。
[0068]如前所述，因?yàn)檫@些光學(xué)傳感器可以在這些系統(tǒng)的預(yù)期壽命之上能在惡劣環(huán)境和載荷下存活并且固有地不受EMI影響，因此這些光學(xué)傳感器預(yù)期不會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中由于在實(shí)際應(yīng)用(例如電動(dòng)車(chē)(EV))中來(lái)自很多其他高負(fù)載電子部件的干擾而遭遇敏感度降低。
[0069]由于光纖的形狀因子小并且重量輕(直徑100-500 μ m并且密度為1_1.5g/cc)以及分析器的緊湊性，監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的體積和重量開(kāi)支預(yù)期會(huì)最小化(單元內(nèi)的體積開(kāi)支〈0.05%,總體積開(kāi)支〈0.1% ;單元內(nèi)的重量〈0.05%,總重量〈0.1%)。
[0070]由于薄光纖電纜的體積開(kāi)支最小化，能量密度也將具有最小的影響(能量密度開(kāi)支〈0.05%),這由精確內(nèi)部單元狀態(tài)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)很好地補(bǔ)償,該優(yōu)點(diǎn)包括在保守的尺寸過(guò)大方面的減少。因?yàn)樾盘?hào)是完全光學(xué)的，將不會(huì)干擾單元的內(nèi)部電場(chǎng)(不同于基準(zhǔn)電極)。如前所述，F(xiàn)O材料對(duì)于各種惡劣環(huán)境(包括Pb酸電池和HF)是良性且穩(wěn)定的。通過(guò)謹(jǐn)慎選擇FO進(jìn)入點(diǎn)(例如在電極上)，薄FO電纜預(yù)期不會(huì)影響單元密封。
[0071]上文詳細(xì)描述的監(jiān)測(cè)和管理系統(tǒng)的規(guī)格允許實(shí)時(shí)(在IOOHz下)檢測(cè)大范圍的各種單元故障，從設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷到過(guò)分操作，上述每一項(xiàng)都將導(dǎo)致幅值遠(yuǎn)超過(guò)這些分辨極限目標(biāo)的內(nèi)部單元參數(shù)的突變或異常。因此，易于接近100%的診斷敏感性。不受EMI影響并且在惡劣環(huán)境中起作用而不會(huì)降低性能的能力，暗示來(lái)自這些系統(tǒng)的誤報(bào)警將最小化，從而使達(dá)到>95%的診斷特異性成為現(xiàn)實(shí)。
[0072]高敏感性和特異性地精確檢測(cè)單元故障的能力，暗示控制策略可以可靠地盡早脫解脫或減少對(duì)較弱/缺陷單元的需求，從而通過(guò)適應(yīng)性管理使得電池組安全起作用，并且防止災(zāi)難性故障事件，例如熱失控。
[0073]由于對(duì)內(nèi)部單元狀態(tài)變量的估計(jì)的不確定性，現(xiàn)在的大部分商用Li離子電池系統(tǒng)被保守地設(shè)計(jì)，因此僅允許使用這些電池系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量容量的10-80%。本文公開(kāi)的實(shí)施例能夠?qū)崿F(xiàn)在多個(gè)變量方面進(jìn)行內(nèi)部單元狀態(tài)測(cè)量并且實(shí)現(xiàn)能夠高精度地(2.5%)預(yù)測(cè)剩余壽命的預(yù)測(cè)算法，從而允許降低保守的過(guò)度設(shè)計(jì)。此外，使用基于精確內(nèi)部單元狀態(tài)測(cè)量的算法，易于獲得更精確的健康狀態(tài)估計(jì)并延長(zhǎng)單元壽命，從而更大程度地減少過(guò)大尺寸設(shè)計(jì)實(shí)踐。
[0074]精確內(nèi)部單元狀態(tài)測(cè)量可以作出有關(guān)更快的充電循環(huán)是否不利地影響電池組中的特定單元的知情決定。這可以允許最優(yōu)化充電循環(huán)，這考慮單元間的制造和健康狀況變化。
[0075]本文公開(kāi)的系統(tǒng)、設(shè)備或方法可以包括本文描述的一個(gè)或多個(gè)特征、結(jié)構(gòu)、方法或其組合。例如，設(shè)備或方法可以實(shí)施為包括本文描述的一個(gè)或多個(gè)特征和/或過(guò)程。這種設(shè)備或方法不需要包括本文描述的所有特征和/或過(guò)程，而可以實(shí)施為包括提供有用結(jié)構(gòu)和/或功能性的經(jīng)選擇的特征和/或過(guò)程。
[0076]在上文的詳細(xì)描述中，針對(duì)描述的實(shí)施方式的各種方面提供數(shù)值和范圍。這些值和范圍應(yīng)當(dāng)僅作為示例對(duì)待，而不是要限制權(quán)利要求的范圍。例如，本文公開(kāi)的實(shí)施例可以在整個(gè)公開(kāi)的數(shù)值范圍上實(shí)施。此外，很多材料被認(rèn)為適合于各種實(shí)施方式。這些材料應(yīng)當(dāng)作為示例對(duì)待，而不是要限制權(quán)利要求的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 一個(gè)或多個(gè)多模光纖電纜，所述一個(gè)或多個(gè)多模光纖電纜布置在能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的部分內(nèi)或上，每個(gè)光纖電纜包括多個(gè)光學(xué)傳感器，至少一個(gè)所述光學(xué)傳感器構(gòu)造成感測(cè)所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的參數(shù)，所述參數(shù)與由所述多個(gè)光學(xué)傳感器中的至少一個(gè)其他光學(xué)傳感器所感測(cè)的所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的參數(shù)不同； 光源，所述光源構(gòu)造成向所述一個(gè)或多個(gè)光纖電纜提供光； 檢測(cè)器，所述檢測(cè)器構(gòu)造成檢測(cè)由所述光學(xué)傳感器反射的光并且基于反射光產(chǎn)生電信號(hào)；和 處理器，所述處理器經(jīng)聯(lián)接以接收所述電信號(hào)、分析所述電信號(hào)并基于對(duì)所述電信號(hào)的分析來(lái)判定所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)光學(xué)傳感器中的每一個(gè)包括構(gòu)造成感測(cè)所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的部件的機(jī)械應(yīng)變的傳感器、構(gòu)造成感測(cè)所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的單元壁壓力的傳感器、和構(gòu)造成感測(cè)所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備內(nèi)部的化學(xué)性質(zhì)的傳感器當(dāng)中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)光學(xué)傳感器包括構(gòu)造成感測(cè)溫度的至少一個(gè)傳感器、構(gòu)造成感測(cè)能量?jī)?chǔ)存設(shè)備部件的機(jī)械應(yīng)變的至少一個(gè)傳感器、和構(gòu)造成感測(cè)所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備內(nèi)部的化學(xué)性質(zhì)的至少一個(gè)傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)光學(xué)傳感器中的至少一個(gè)是用于補(bǔ)償由另一傳感器感測(cè)的所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的參數(shù)的基準(zhǔn)傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，多個(gè)傳感器中的一個(gè)包括構(gòu)造成測(cè)量所述能量?jī)?chǔ)存設(shè)備的部件的應(yīng)變的應(yīng)變傳感器，所述多個(gè)傳感器中的另一傳感器包括構(gòu)造成測(cè)量所述部件的溫度的溫度傳感器，其中所述溫度傳感器的輸出用于對(duì)所述應(yīng)變傳感器的輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述光學(xué)傳感器中的一個(gè)或多個(gè)包括: 光纖布拉格光柵傳感器；或 法布里-珀羅傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括聯(lián)接在所述光纖電纜和所述檢測(cè)器之間的光學(xué)元件，所述光學(xué)元件構(gòu)造成對(duì)來(lái)自所述多個(gè)傳感器的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行多路分用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中: 所述光源構(gòu)造成發(fā)出在時(shí)間上分隔的光脈沖，所述光脈沖包括至少在第一時(shí)刻發(fā)射的具有第一峰值波長(zhǎng)的第一窄波長(zhǎng)帶光脈沖和在第二時(shí)刻發(fā)射的具有第二峰值波長(zhǎng)的第二窄波長(zhǎng)帶光脈沖； 所述多個(gè)傳感器中的第一傳感器基本響應(yīng)于所述第一峰值波長(zhǎng)，并且基本不響應(yīng)于所述第二峰值波長(zhǎng)；并且 第二傳感器基本響應(yīng)于所述第二峰值波長(zhǎng)并且基本不響應(yīng)于所述第一峰值波長(zhǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)傳感器包括構(gòu)造成感測(cè)第一能量?jī)?chǔ)存設(shè)備參數(shù)的兩個(gè)第一傳感器和構(gòu)造成感測(cè)第二能量?jī)?chǔ)存設(shè)備參數(shù)的第二傳感器，其中所述兩個(gè)第一傳感器基本響應(yīng)于第一峰值波長(zhǎng)并且基本不響應(yīng)于第二峰值波長(zhǎng)，所述第二傳感器基本響應(yīng)于所述第二峰值波長(zhǎng)并且基本不響應(yīng)于所述第一峰值波長(zhǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任 一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述光源是寬波長(zhǎng)帶光源。
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK103713208SQ201310422090
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月28日
【發(fā)明者】A·拉客阿凡, P·齊塞爾, B·薩哈 申請(qǐng)人:帕洛阿爾托研究中心公司