基于光纤布拉格（FBG）光栅的铅酸电池剩余电量的测量

论文摘要

近年来,人们对城市空气质量以及地球石油资源危机等问题的日趋重视。为了保护环境,节约能源,在世界范围内以蓄电池作为电力能源在交通运输、通信等部门的设备中,已得到了广泛运用。由于蓄电池的充放电是一个比较复杂的电化学过程,虽然厂商多在其使用标识上号称有10年的浮充寿命,在实际应用中,由于充电方式的简单,这些蓄电池的实际浮充寿命还不到其宣称的一半。同时,在实际应用中,这些电池往往是多个串联的。电动汽车电池的剩余电量估计系统的研制也逐步的深入并进入实用化阶段。电池剩余电量估计系统的研究及使用,是有效地延长电池使用寿命的一个重要手段。电池剩余电量估计系统不仅能够防止电池过放电或过充,而且对于电动汽车行使过程中起到了汽车汽油表的重要作用。本文以铅酸电池为研究对象,从分析铅酸电池的电化学特性入手,指出了影响蓄电池剩余容量的各种因素和预测剩余容量的难点。本文介绍了国内外在蓄电池电量监测方面的研究、进展及采用的方法,并分析了这些方法的优缺点。在此基础上提出了一种基于腐蚀光纤布拉格(FBG)光栅制作的相移光栅传感器来预测其电量。依据电解液浓度与剩余容量间一一对应的关系来实现检测系统,利用浓度改变所引发的折射率变化而导致的光栅波长发生偏移的原理设计传感器。并最终实现在线检测的目标。结合课题的实际需要,做出了具体如下工作:(1)分析研究铅酸蓄电池的基本工作原理、铅酸电池的基本电特性,充放电特性,蓄电池容量及其影响的因素;(2)对FBG相关原理及其浓度折射率传感原理和光纤倏逝波原理进行深入研究,了解光纤腐蚀工艺,制作腐蚀装置,进行光栅腐蚀试验为相关测量做准备;(3)通过试验研究,制作传感器,并通过其自身特点消除温度对被测信号的影响;(4)对铅酸蓄电池进行大量的充放电试验,分析实验数据,为后续工作做准备;通过对传感器的理论、工作原理以及构成的分析,设计出铅酸蓄电池剩余容量在线检测光纤传感器系统。最后该系统能较好地实现铅酸蓄电池容量的在线测量。该传感器具有测量准确,反应灵敏等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外研究方法概述
• 1.2.2 现有容量检测方法介绍
• 1.3 蓄电池容量在线检测方法的提出
• 1.4 课题来源及研究的主要内容
• 1.5 本章小结
• 2 铅酸蓄电池相关概念方法介绍
• 2.1 蓄电池的基本理论
• 2.1.1 蓄电池的工作原理
• 2.1.2 铅酸蓄电池特性
• 2.1.3 铅酸蓄电池的基本电特性
• 2.2 蓄电池容量及其影响因素
• 2.2.1 蓄电池容量的概念
• 2.2.2 铅酸蓄电池剩余电量的估计
• 2.3 蓄电池充放电电压特性
• 2.3.1 蓄电池充电特性
• 2.3.2 蓄电池放电特性
• 2.4 本课题所采用的方法介绍
• 2.5 本章小结
• 3 光纤光栅传感器相关应用及相关理论概述
• 3.1 光纤光栅的应用及分类
• 3.1.1 光纤光栅的研究发展及应用
• 3.1.2 光纤光栅的种类
• 3.2 布拉格光纤光栅特性研究
• 3.2.1 FBG 的结构
• 3.3 光纤布拉格光栅耦合膜理论
• 3.4 布拉格光纤光栅折射率传感研究
• 3.4.1 光纤光栅折射率原理
• 3.4.2 腐蚀对光纤有效折射率的影响
• 3.4.3 腐蚀给光纤光栅带来的影响
• 3.5 本章小结
• 4 光纤布拉格光栅的腐蚀及传感器的制作
• 4.1 光纤光栅的腐蚀
• 4.1.1 光纤光栅整体的腐蚀
• 4.1.2 实验结果分析
• 4.1.3 折射率测量及讨论
• 4.1.4 相移光栅的腐蚀制作
• 4.2 相移光栅的波长解调及排出测量中的温度干扰
• 4.3 本章小结
• 5 铅酸蓄电池剩余容量在线检测系统研究
• 5.1 实验前期准备
• 5.1.1 蓄电池充电
• 5.1.2 蓄电池放电
• 5.1.3 实验设备
• 5.2 铅酸蓄电容量与其电解液密度关系
• 5.3 充放电过程中温度的变化情况
• 5.4 充放电过程传感器测量
• 5.4.1 恒流放电过程测量结果
• 5.4.2 恒流充电过程测量结果
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 进一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果