一种混合储能电池状态监测系统

1.本实用新型一种混合储能电池状态监测系统，属于混合储能电池状态监测系统技术领域。


背景技术：

2.混合储能系统是供电系统中的重要环节，而电池是混合储能系统常用的储能单元之一。电池的广泛使用，也会伴随一系列的问题，经常造成严重的损失，如电池的爆炸着火事故，一般是由于其中一节电池裂化后未妥善管理，电池急剧恶化导致爆炸着火，由于电池是串联或并联使用，只要一节着火燃烧整片瞬间会蔓延开来，导致大的火灾事故。所以电池运行状态监测，特别是单体电池的在线监测越来越受人们重视。
3.国内对电池组的维护和性能评价，尚处在摸索发展阶段，如何及时发现亏损电池，确保电池组供电系统安全稳定的运行，具有十分重要的现实意义。近几年，国内电池在线监测技术快速发展，很多监测电池电压、电流、内阻等的设备投入运行，但是只用传统的电子式传感器测量方法，易受强电磁、温度变化干扰，且传感器长期运行稳定性差，测量精度和系统运行可靠性无法得到保证。


技术实现要素：

4.本实用新型为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种混合储能电池状态监测系统硬件结构的改进。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种混合储能电池状态监测系统，包括多组电池，每块所述电池上均设置有光纤光栅温度传感器、单体电池监测模块、光纤光栅应变传感器，其中光纤光栅温度传感器分别设置在电池正极、电池负极和电池的外表面，单体电池监测模块设置在电池的外表面，每一块单体电池监测模块均有a、b、c、d四个端口，光纤光栅应变传感器设置在电池的外表面；
6.每组电池的状态信号通过电路一、电路二和光路一、光路二进行采集；
7.所述电路一通过霍尔电流传感器检测各组电池电流信号，将一组电池的每一块电池负极与下一块电池正极通过导线串联，第一块电池正极与用电设备通过导线相连，最后一块电池负极经霍尔电流传感器与用电设备相连，霍尔电流传感器还通过导线与电流信号采集装置相连；
8.所述电路二通过单体电池监测模块检测每一块电池的电压、内阻和容量信息，依次通过导线连接一组电池上所有的单体电池监测模块，每一块单体电池监测模块的端口b与该单体电池监测模块所连接电池的电池正极相连，端口c与该单体电池监测模块所连接电池的电池负极相连，每一块单体电池监测模块端口d与下一块单体电池监测模块的端口a相连，最后一块单体电池监测模块的端口d连接到单体电池信号采集装置；
9.所述光路一通过光纤光栅温度传感器检测每一块电池的温度，用光纤依次串接一组电池上所有的光纤光栅温度传感器，最后一块电池负极上的光纤光栅温度传感器与光纤
光栅信号采集装置相连；
10.所述光路二通过光纤光栅应变传感器检测每一块电池的形变，用光纤依次串接一组电池上所有的光纤光栅应变传感器，最后一块电池上的光纤光栅应变传感器与光纤光栅信号采集装置相连；
11.所述电流信号采集装置、光纤光栅信号采集装置、单体电池信号采集装置分别通过导线与中央控制器相连，中央控制器通过导线与上位机相连，上位机通过无线传输模块与远程监控模块远程通信。
12.所述光纤光栅信号采集装置包括扫描激光器、分路器、第一1*2耦合器、第一光电探测器、第一信号放大器、第一低通滤波器、第一模数转换单元、第二1*2耦合器、第二光电探测器、第二信号放大器、第二低通滤波器、第二模数转换单元和数据采集卡；
13.其中扫描激光器与分路器的输入端口a相连，分路器输出端口b与第一1*2耦合器的输入端口a相连，第一1*2耦合器的端口b与光纤光栅温度传感器相连，第一1*2耦合器的端口c与第一光电探测器的输入端相连，第一光电探测器的输出端经第一信号放大器、第一低通滤波器、第一模数转换单元与数据采集卡的对应输入端口相连，分路器的输出端口c与第二1*2耦合器的输入端口a相连，第二1*2耦合器的端口b与光纤光栅应变传感器相连，第二1*2耦合器的端口c与第二光电探测器的输入端相连，第二光电探测器的输出端经第二信号放大器、第二低通滤波器、第二模数转换单元与数据采集卡的对应输入端口相连，扫描激光器与数据采集卡的对应端口相连。
14.所述光纤光栅温度传感器具体采用型号为jpfbgt-300；
15.所述光纤光栅应变传感器具体采用型号为jpfbgs-100；
16.所述单体电池监测模块具体采用型号为yx-s；
17.所述霍尔电流传感器具体采用型号为hka-ysc；
18.所述扫描激光器具体采用型号为gc-76001c-01；
19.所述数据采集卡具体采用型号为smacq5410；
20.所述第一1*2耦合器、第二1*2耦合器具体采用型号为1*2 50/50 fc/ap；
21.所述分路器具体采用型号为 plc-fc/apc；
22.所述第一光电探测器、第二光电探测器具体采用型号为blpd-rb-70br-b；
23.所述第一低通滤波器、第二低通滤波器具体采用型号为pe8719；
24.所述中央控制器具体采用型号为tms320f28069f；
25.所述第一模数转换单元、第二模数转换单元具体采用型号为ad9248bstz-20。
26.本实用新型相对于现有技术具备的有益效果为：本实用新型提供的混合储能电池状态监测系统，在传统测量方法基础上融入了光纤测量技术，进行电池状态的在线监测和健康状态评估，较传统测量方法，抗电磁干扰能力强、对外界环境要求低、耐高温、结构稳定、精度高，且易于集成。
附图说明
27.下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
28.图1为本实用新型的结构示意图；
29.图2为本实用新型光纤光栅信号采集装置的结构示意图；
30.图中：1、用电设备；2、电池正极；3、光纤光栅温度传感器；4、电池负极；5、电路一；6、光路一；7、单体电池监测模块；8、电路二；9、光路二；10、光纤光栅应变传感器；11、霍尔电流传感器；12、电流信号采集装置；13、光纤光栅信号采集装置；14、单体电池信号采集装置；15、远程监控模块；16、中央控制器；17、无线传输模块；18、上位机；19、扫描激光器；20、分路器；21、第一1*2耦合器；22、第一光电探测器；23、第一信号放大器；24、第一低通滤波器；25、第二1*2耦合器；26、第二光电探测器；27、第二信号放大器；28、第二低通滤波器；29、数据采集卡；30、第一模数转换单元；31、第二模数转换单元。
具体实施方式
31.如图1和图2所示，本实用新型一种混合储能电池状态监测系统，系统包括光纤光栅温度传感器3、单体电池监测模块7、光纤光栅应变传感器10、霍尔电流传感器11、电流信号采集装置12、光纤光栅信号采集装置13、单体电池信号采集装置14、远程监控模块15、中央控制器16、无线传输模块17和上位机18。
32.所述电池成组分布，每一组电池都由多块电池构成，每块电池上设置三块光纤光栅温度传感器3、一块单体电池监测模块7、一块光纤光栅应变传感器10，三块光纤光栅温度传感器3分别设置在电池正极2、电池负极4和电池的外表面，单体电池监测模块7设置在电池的外表面，每一块单体电池监测模块7均有a、b、c、d四个端口，光纤光栅应变传感器10设置在电池的外表面。每组电池的状态信号通过电路一、电路二和光路一、光路二进行采集。
33.所述电路一5通过霍尔电流传感器11检测电池电流信号，将电池的每一块电池负极4与下一块电池正极2串联连接，第一块电池正极2与用电设备1连接，最后一块电池负极4经霍尔电流传感器11与用电设备1连接，霍尔电流传感器11还与电流信号采集装置12连接。
34.所述电路二8通过单体电池监测模块7检测每一块电池的电压、内阻、容量等信息，依次连接该组电池上所有的单体电池监测模块7，所述单体电池监测模块7的连接方法是每一块单体电池监测模块7的端口b与该单体电池监测模块7所依附电池的电池正极2连接，端口c与该单体电池监测模块7所依附电池的电池负极4连接，每一块单体电池监测模块7端口d与下一块单体电池监测模块7的端口a连接，最后一块单体电池监测模块7的端口d连接到单体电池信号采集装置14。
35.所述光路一6通过光纤光栅温度传感器3检测每一块电池的温度，用光纤依次连接该组电池上所有的光纤光栅温度传感器3，最后一块电池负极4上的光纤光栅温度传感器3与光纤光栅信号采集装置13连接。
36.所述光路二9通过光纤光栅应变传感器10检测每一块电池的微小形变，用光纤依次连接该组电池上所有的光纤光栅应变传感器10，最后一块电池上的光纤光栅应变传感器10与光纤光栅信号采集装置13连接。
37.所述电流信号采集装置12、光纤光栅信号采集装置13、单体电池信号采集装置14分别与中央控制器16对应接口连接，中央控制器16与上位机18连接，上位机18通过无线传输模块17与远程监控模块15远程通信。
38.进一步所述光纤光栅信号采集装置13包括扫描激光器19、分路器20、第一1*2耦合器21、第一光电探测器22、第一信号放大器23、第一低通滤波器24、第一模数转换单元30、第二1*2耦合器25、第二光电探测器26、第二信号放大器27、第二低通滤波器28、第二模数转换
单元31和数据采集卡29，其中扫描激光器19与分路器20的输入端口a连接，分路器20的输出端口b与第一1*2耦合器21的输入端口a连接，第一1*2耦合器21的端口b与光纤光栅温度传感器3连接，第一1*2耦合器21的端口c与第一光电探测器22的输入端连接，第一光电探测器22的输出端经第一信号放大器23、第一低通滤波器24、第一模数转换单元30与数据采集卡29的对应输入端口连接，分路器20的输出端口c与第二1*2耦合器25的输入端口a连接，第二1*2耦合器25的端口b与光纤光栅应变传感器10连接，第二1*2耦合器25的端口c与第二光电探测器26的输入端连接，第二光电探测器26的输出端经第二信号放大器27、第二低通滤波器28、第二模数转换单元31与数据采集卡29的对应输入端口连接，扫描激光器19与数据采集卡29的对应端口连接。
39.所述光纤光栅温度传感器3具体采用型号为jpfbgt-300；
40.所述光纤光栅应变传感器10具体采用型号为jpfbgs-100；
41.所述单体电池监测模块7具体采用型号为yx-s；
42.所述霍尔电流传感器11具体采用型号为hka-ysc；
43.所述扫描激光器19具体采用型号为gc-76001c-01；
44.所述数据采集卡29具体采用型号为smacq5410；
45.所述第一1*2耦合器21、第二1*2耦合器25具体采用型号为1*2 50/50 fc/ap；
46.所述分路器20具体采用型号为 plc-fc/apc；
47.所述第一光电探测器22、第二光电探测器26具体采用型号为blpd-rb-70br-b；
48.所述第一低通滤波器24、第二低通滤波器28具体采用型号为pe8719；
49.所述中央控制器16具体采用型号为tms320f28069f；
50.所述第一模数转换单元30、第二模数转换单元31具体采用型号为ad9248bstz-20。
51.具体的，当电池组工作时，串联在电路一5的霍尔电流传感器11可以准确测量出流过电池组的工作电流，电流信号采集装置12与霍尔电流传感器11连接，将采集到的电流信号通过中央控制器16传递给上位机18。所述电路二8中的单体电池监测模块7可以监测每块电池的电压、内阻、容量信息，并由单体电池信号采集装置14采集后将这些信息通过中央控制器16传递给上位机18。
52.图2是本实用新型提供的一种混合储能电池状态监测系统中光纤光栅信号采集装置的内部结构图。如图2所示，所述扫描激光器19与数据采集卡29的对应接口连接，第一光电探测器22的输出端经第一信号放大器23、第一低通滤波器24、第一模数转换单元30与数据采集卡29的对应接口连接，第二光电探测器26的输出端经第二信号放大器27、第二低通滤波器28、第二模数转换单元31与数据采集卡29的对应接口连接，数据采集卡29外部通过中央控制器16与上位机18连接。当所述光纤光栅温度传感器3测量电池正极2、电池负极4、以及电池外表面温度、所述光纤光栅应变传感器10测量电池外壳形变时，上位机18对光纤光栅信号采集装置13中的扫描激光器19的工作模式进行设定，扫描激光器19会在某一波长范围内按照设定的步长进行循环扫描，扫描激光器19发射的光，进入到分路器20的输入端口a，一路光从分路器20的输出端口b出来，进入到第一1*2耦合器21的输入端口a，从第一1*2耦合器21端口b出来经光路一6进入到各光纤光栅温度传感器3中，反射回来的光从第一1*2耦合器21的端口c输出，依次经过第一光电探测器22、第一信号放大器23、第一低通滤波器24、第一模数转换单元30进入到数据采集卡29；从分路器20的输出端口c出来的另一路光，
进入到第二1*2耦合器25的输入端口a，从第二1*2耦合器25端口b出来经光路二9进入到各光纤光栅应变传感器10中，反射回来的光从第二1*2耦合器25的端口c输出，依次经过第二光电探测器26、第二信号放大器27、第二低通滤波器28、第二模数转换单元31进入到数据采集卡29，数据采集卡29将采集到的光纤光栅温度传感器3反射的光栅信号、光纤光栅应变传感器10反射的光栅信号和扫描激光器19的触发信号通过中央控制器16传递给上位机18。
53.所述上位机18根据数据采集卡29传递回来的数据信息，对照扫描激光器19设定好的扫描范围和扫描频率，经过拟合、寻峰等算法求出每一块光纤光栅温度传感器3和光纤光栅应变传感器10的中心波长，并与原始中心波长作差，求出每一块光纤光栅温度传感器3和光纤光栅应变传感器10的中心波长偏移量，再参考每一块光纤光栅温度传感器3和光纤光栅应变传感器10的相关系数，进而计算得出每一块光纤光栅温度传感器3的温度和每一块光纤光栅应变传感器10的应变信息；此外，对比电池运行历史数据及电池安全使用方面的相关规定，对电池各个参量设定相应的安全运行的阈值，当参数超过阈值时，上位机18会发出警报，并通过无线传输模块17向远程监控模块15实时传输电池的异常状况。
54.需要说明的是，本实施例中，每组电池的状态信号通过两路电路和两路光路进行采集，其中电路二8中设有与该组电池数量相等的单体电池监测模块7，光路一6中设有三倍于该组电池数量的光纤光栅温度传感器3，光路二9中设有与该组电池数量相等的光纤光栅应变传感器10，实际实施过程中，可根据现场需要灵活变通。本实施例中，每组两路光路共用一台光纤光栅信号采集装置13，因为光纤光栅信号采集装置13本身具有波长编码的特性，每条光路可以布置大量的光纤光栅传感器，适合大规模监测系统使用，所以实际实施时，可根据光纤光栅信号采集装置13的性能和现场电池分布情况，多组电池共用一台光纤光栅信号采集装置13。
55.本实用新型利用霍尔电流传感器测量电池组电流，利用单体电池监测模块测量每一块电池电压、内阻和容量信息，利用光栅光纤温度传感器测量电池温度，利用光纤光栅应变传感器测量电池外表面的微小形变，测量多种参数并结合历史数据对电池的运行状态进行分析，可以及时发现过压欠压、过充过放、容量减小、温度异常、鼓包等异常行为，并通过上位机向远程监控模块发出报警信息，极大提高了电池在线监测系统长期运行的安全性、稳定性、可靠性。
56.本实用新型提供的一种混合储能电池状态监测系统针对的是大量成组分布的电池，单体电池可以灵活接入，对于不同行业、不同场景下的电池在线监测系统都有很强的适用性。
57.关于本实用新型具体结构需要说明的是，本实用新型采用的各部件模块相互之间的相连关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的相连关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本实用新型提出的技术问题，本实用新型中出现的部件、模块、具体元器件的型号、相连方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。
58.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当
理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。