专利名称：锂离子电池内部温度的测量装置和测量方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种锂离子电池内部温度的测量装置和测量 方法。
背景技术：
锂离子电池由于工作电压高、功率密度和能量密度高、循环寿命长、自放电小、无 记忆效应、无污染等优点，其应用已经从信息产品扩展到能源交通和国防军事领域，具体应 用如从移动电话、掌上电脑、笔记本等，到电动汽车、电网调峰、太阳能、风能蓄电站等，军用 则涵盖了潜艇、水下机器人、陆军士兵系统、机器战士、无人飞机、卫星、飞船等。但是锂离子电池在应用中潜在的安全温度，尤其是动力用锂离子电池组，已经成 为制约其发展的一个瓶颈。锂离子电池具有较高的能量密度，在充放电过程中，伴随着多种 化学、电化学反应和物质传输过程，有些反应在开路的情况下仍然进行，这些过程会造成热 量的产生，这些产生的热量不能完全散失到环境中就会引起电池内部热量的积累。如果热 量的积累造成电池内部的高温点，就有可能引发电池的热失控。因此，温度对锂离子电池的 各方面性能都有影响，包括电化学系统的工作状况、循环效率、容量、功率、安全性、可靠性、 一致性和寿命等。电池的设计，如单体设计、模块设计、热管理系统设计等，对于电池温度都 有着重要影响。锂离子电池温度测量是研究锂离子电池温度分布和变化的重要手段，可以 辅助电池单体设计、模块设计以及热管理系统的设计。由于锂离子电池内部中心温度不容易测量，此前多是在实验时测得不同时间电池 在放电时的表面温度，由三维非稳态热传导问题反求出电池中心温度，这种推出的中心温 度不能准确反应出锂离子电池内部中心温度的状况。传统的热电偶测温方式，因为存在测 量精度低、测量不稳定、带电测量不安全和测量探头体积大等缺点，不能有效安全的测量锂 离子电池的内部实时温度。
发明内容
本发明的目的是设计一种锂离子电池内部温度的测量装置和测量方法，具体是提 供一种基于荧光寿命检测温度的方法和荧光光纤温度测量装置。本发明要解决的是现有测量装置和测量方法不能有效安全的测量锂离子电池的 内部实时温度，且测量的结果不能准确反应出锂离子电池内部中心温度的问题。本发明的测温原理是基于稀土荧光物质的材料特性实现的，某些稀土荧光物质受 紫外线照射并激发后，在可见光谱中发射线状光谱，即荧光及其余辉(余辉为激励停止后 的发光)。荧光余辉的衰变时间常数是温度的单值函数，通常温度越高，时间常数越小。只 要测得时间常数的值，就可以求出温度。应用这种方法测温的最大优点，就是被测温度只取 决于荧光材料的时间常数，而与系统的其他变量无关，例如光源强度的变化、传输效率、耦 合程度的变化等都不影响测量结果，较光强测温法和波长解调法原理上有明显优势。本发明所述的锂离子电池内部温度的测量装置，包括箱体，其特征在于箱体内设有荧光激发光源、光源驱动电路、光路耦合系统，荧光信号探测及处理系统，箱体上设有荧 光光纤测温探头和显示系统。所述的光源驱动电路用于产生周期性电脉冲来驱动led光源，使其产生相应的激 励脉冲光波，该光源驱动电路由单片机控制。所述的光路耦合系统包括滤波片、耦合透镜和结构件，滤波片和耦合透镜固定在 结构件上，结构件固定在箱体内，以实现光路耦合要求的精确定位。所述的荧光光纤测温探头采用细芯径耐腐蚀荧光光纤。本发明的测量装置的优点1)本发明测量范围大，可实现温度-50 350°c温度范围的测量，测量精度高，可 实现精度高于士0.5°c ；2)本发明测量装置用的测温探头的结构设计简单合理，制造成本低；3)本发明测温探头尺寸小，柔韧性好，耐高温，可实现探头直径0. 1mm，弯曲半径 最小到5mm以下，不同测温探头和不同信号检测模块均可以互换，测温探头和信号检测模 块替换后不需要校正，测温探头无金属材料，具有完全的电绝缘性，不受高压、强电磁场的 影响，抗化学腐蚀和无污染；在重复的热循环下，测温探头的材料和结构非常稳定，测温探头的性能对光信号 的变化不敏感，使用寿命长。本发明对锂离子电池内部温度的测量方法为在制作锂离子电池时，将多根荧光光纤测温探头按照一定分布埋入电池内部。在锂离子电池封装时，将多根荧光光纤测温探头的另一端剪断，保持和电池封装 结构外表面平齐；对多根荧光光纤测温探头裸露的电池一端进行适当的研磨抛光处理。根据多个荧光光纤测温探头的排列分布，制作一个完全对应的多根光纤探头装 置，此多根光纤探头装置一端固定在已有夹具中，光纤端面研磨抛光处理，多根光纤探头另 一端均进行研磨抛光处理，分别连接到锂离子电池内部温度多点测量装置接口端。测温时，将多根光纤探头装置中的多根裸露光纤对准锂离子电池表面裸露的多根 光纤，即可测得每一路埋入锂离子电池内部的测温探头反射的荧光信号，通过信号解调处 理装置，读出每路测温探头感应的温度。本发明测量方法的优点是可以对锂离子电池内部温度进行实时、高精度、多点探测，可以直接获得锂离子电 池内部温度场的三维分布，从而更科学有效的建立锂离子电池内部温度场的三维模型。
图1是基于荧光寿命检测的光纤温度测量装置组成示意图。图2是荧光光纤测温探头示意图。图3是锂离子电池内部温度单点测量装置组成示意图。图4是锂离子电池内部温度三点测量装置组成示意图。图5是锂离子电池内部温度六点测量装置组成示意图。图6是锂离子电池内部温度多点三维测量装置组成示意图。上述附图标号说明如下
1-光纤探头，2-光纤，3、4、9_聚焦耦合透镜，5-led，6_温度值显示器(即显示部 分)，7-电子电路部分，8-荧光信号探测及处理系统，10-滤波片，11-箱体，12-涂覆层， 13-包层，14-荧光材料，15-防腐蚀保护层，16-纤芯，17-铜套管，18-密封圈，19-结构件， 20-开关，21-锂电池。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步说明。如图1、图2和图3所示，本发明的一种锂离子电池22内部温度的测量装置，包括 箱体11，其箱体11内设有荧光激发光源5、光源驱动电路7、光路耦合系统，荧光信号探测及 处理系统，箱体上设有荧光光纤测温探头1和显示系统。所述的荧光激发光源5采用波长为470nm的发光二极管(led)。所述的光源驱动电路7用于产生周期性电脉冲来驱动led光源，使其产生相应的 激励脉冲光波，该光源驱动电路7由单片机控制。所述的光路耦合系统包括滤波片10、三块耦合透镜，分别为耦合透镜3、耦合透镜 4、耦合透镜9和结构件19，滤波片10对470nm波长的光反射，对510nm附近波长的光透射， 耦合透镜采用非球面透镜、球透镜、自聚焦透镜、塑料透镜中的至少一种，滤波片20和耦合 透镜固定在结构件19上，结构件19固定在箱体内，以实现光路耦合要求的精确定位。所述的荧光光纤测温探头1采用细芯径耐腐蚀荧光光纤，该光纤探头部分掺杂荧 光物质14，光纤外侧镀有抗氢氟酸腐蚀的金属材料，如镍或铜。光纤外径可细至0. 1謹。所述的显示系统包括液晶显示屏20或光电二极管显示屏或其它数码管显示屏、 显示处理电路，实时显示测试温度。液晶显示屏20和显示处理电路连接。本发明对锂离子电池内部温度的测量方法为在制作锂离子电池22时，将多根荧光光纤测温探头1按照一定分布埋入电池内部。在锂离子电池封装时，将多根荧光光纤测温探头的另一端剪断，保持和电池封装 结构外表面平齐；对多根荧光光纤测温探头裸露的电池一端进行适当的研磨抛光处理。根据多个荧光光纤测温探头的排列分布，制作一个完全对应的多根光纤探头装 置，此多根光纤探头装置一端固定在已有夹具中，光纤端面研磨抛光处理，多根光纤探头另 一端均进行研磨抛光处理，分别连接到锂离子电池内部温度多点测量装置的接口端。测温时，将多根光纤探头装置中的多根裸露光纤对准锂离子电池表面裸露的多根 光纤，即可测得每一路埋入锂离子电池内部的测温探头反射的荧光信号，通过信号解调处 理装置，读出每路测温探头感应的温度。如图2所示，本测量装置的传感探头具有抗电解液腐蚀的作用。测量时光纤探头 在荧光材料涂于光纤端头以后，用金属铜毛细管对其进行封装。采用这样的处理方式可以 避免电解液对光纤以及荧光材料的腐蚀，使得整个系统稳定可靠；本发明可以对锂离子电池内部温度进行单点测量或三点、或六点或多点的测量。锂离子电池内部温度单点测量装置如图3所示。测量前先把光纤探头1根据测量 需要埋入锂离子电池22内部，电池22表面与铜套管17通过密封圈18密封。光纤探头1探测到温度的变化经由光纤12传至温度传感器处理并由显示系统实时显示。本发明三通道、六通道及多通道锂电池内部温度测量装置，具体参见图4、图5、和 图6。本发明探头尺寸微小、测量精度高、测量范围大、响应速度快，稳定性好，抗腐蚀、 抗电磁干扰能力强，很好地解决了其它测量方法在测量时引入误差、灵敏度和稳定性差等 问题。本发明可以对锂离子电池11内部温度进行单点测量或三点、或六点或多点的测量。
权利要求
1.一种锂离子电池内部温度的测量装置，包括箱体，其特征在于箱体内设有荧光激发 光源、光源驱动电路、光路耦合系统，荧光信号探测及处理系统，箱体上设有荧光光纤测温 探头和显示系统；所述的光源驱动电路用于产生周期性电脉冲来驱动led光源，使其产生相应的激励脉 冲光波，该光源驱动电路由单片机控制；所述的光路耦合系统包括滤波片、耦合透镜和结构件，滤波片和耦合透镜固定在结构 件上，结构件固定在箱体内，以实现光路耦合要求的精确定位；所述的荧光光纤测温探头采用细芯径耐腐蚀荧光光纤。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部温度的测量装置，其特征在于所述的荧 光激发光源采用波长为470nm的发光二极管led。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部温度的测量装置，其特征在于滤波片对 470nm波长的光反射，对510nm附近波长的光透射，耦合透镜采用非球面透镜、球透镜、自聚 焦透镜、塑料透镜中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部温度的测量装置，其特征在于，该光纤 探头部分掺杂荧光物质，光纤外侧镀有抗氢氟酸腐蚀的金属材料，如镍或铜；光纤外径可细 至 0. imm0
5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部温度的测量装置，其特征在于光敏二极 管峰值波长为510nm。
6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池内部温度的测量装置，其特征在于所述的显 示系统包括液晶显示屏或光电二极管显示屏或其它数码管显示屏、显示处理电路，实时显 示测试温度，液晶显示屏和显示处理电路连接。
7.—种锂离子电池内部温度的测量方法，其特征在于该测量方法至少包括如下步骤在制作锂离子电池时，将多根荧光光纤测温探头按照一定分布埋入电池内部；在锂离子电池封装时，将多根荧光光纤测温探头的另一端剪断，保持和电池封装结构 外表面平齐；对多根荧光光纤测温探头裸露的电池一端进行适当的研磨抛光处理；根据多个荧光光纤测温探头的排列分布，制作一个完全对应的多根光纤探头装置，此 多根光纤探头装置一端固定在已有夹具中，光纤端面研磨抛光处理，多根光纤探头另一端 均进行研磨抛光处理，分别连接到锂离子电池内部温度多点测量装置接口端；测温时，将多根光纤探头装置中的多根裸露光纤对准锂离子电池表面裸露的多根光 纤，即可测得每一路埋入锂离子电池内部的测温探头反射的荧光信号，通过信号解调处理 装置，读出每路测温探头感应的温度。
全文摘要
本发明公开了一种锂离子电池内部温度的测量装置，包括设于箱体内荧光激发光源、光源驱动电路、光路耦合系统，荧光信号探测及处理系统，箱体上设有荧光光纤测温探头和显示系统；本发明所述的锂离子电池内部温度的测量方法包括在制作锂离子电池时，将多根荧光光纤测温探头按照一定分布埋入电池内部；根据多个荧光光纤测温探头的排列分布，制作一个完全对应的多根光纤探头装置，分别连接到锂离子电池内部温度多点测量装置接口端；测温时，将多根光纤探头装置中的多根裸露光纤对准锂离子电池表面裸露的多根光纤，即可测得每一路埋入锂离子电池内部的测温探头反射的荧光信号，通过信号解调处理装置，读出每路测温探头感应的温度。
文档编号g01k11/32gk102052976sq20101053043
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月4日 优先权日2010年11月4日
发明者何亮明, 刘兰书, 张文松, 杜翀 申请人:中国科学院嘉兴无线传感网工程中心, 中国科学院西安光学精密机械研究所